Mirley - Elektronika i Programowanie

Układ jest najzwyklejszym zasilaczem regulowanym zbudowanym na dość starym już stabilizatorze uA723. Sam projekt płytki powstał już bardzo dawno temu ale dopiero teraz przyszedł czas na uruchomienie całości. Zasilacz dostarcza symetrycznego napięcia wyjściowego w zakresie 3.3-26V i prądzie do 3A. Przekroczenie maksymalnej wartości prądu powoduje odcięcie tranzystorów wyjściowych, co można traktować jako zabezpieczenie nad prądowe. Bezpośredniej regulacji podlega napięcie dodatnie, natomiast ujemna część podąża za dodatnia dzięki układowi zbudowanemu na wzmacniaczu TL081. Większość układów zasilana jest napięciem pojedynczym, ale jak sam przekonałem się już kilkukrotnie, w każdym warsztacie powinien znaleźć się taki właśnie układ. Przydaje się szczególnie przy konstrukcjach analogowych z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych, czy też do wstępnego uruchomienia wzmacniaczy mocy. Zaletą opisywanej tutaj konstrukcji jest bardzo niski koszt, którego 90% stanowi transformator sieciowy. Po uzupełnieniu zasilacza w układy do pomiaru napięcia i prądu, opisywany zasilacz stanie się bardzo poważnym przyrządem laboratoryjnym.

Działanie:

Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku poniżej:

Sercem układu jest stabilizator U1 (uA723), który jest precyzyjnym scalonym regulatorem napięcia. Układ ten zawiera temperaturowo kompensowane źródło napięcia referencyjnego, wzmacniacz błędu i tranzystor wyjściowy pozwalający na przepływ prądu do 150mA. Układ U1 pracuje w typowej konfiguracji w której jego wewnętrzny wzmacniacz błędu porównuje napięcie z dzielnika R0 (5,6k)- R3 (4,7k) z napięciem jakie panuje na wyjściu zasilacza. Rezystory R4 (220R) i R5 (6,8k) oraz potencjometr P1 (50k) dostarczają do wejścia odwracającego we wzmacniaczu błędu U1 odpowiednią frakcję napięcia wyjściowego (dobór wartości elementów dzielnika w zależności od napięcia wyjściowego zostanie opisany w rozdziale "Budowa"). Wzmacniacz błędu pracujący w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego reguluje za pomocą elementów R1 (560R), T1 (BD911) i T2 (BD139) napięcie wyjściowe tak, by jego frakcja była równa napięciu ustalemu przez dzielnik R0 - R3. Zmiana położenia suwaka P1 spowoduje zmianę frakcji napięcia wyjściowego, tak więc wzmacniacz błędu odpowiednio zmieni napięcie wyjściowe by tę zmianę zniwelować. Przykładowo: przekręcenie potencjometru w kierunku R4 podwyższy napięcie na jego suwaku, co wymusi na stabilizatorze (poprzez wzmacniacz błędu) obniżenie napięcia wyjściowego tak, by potencjał suwaka obniżył się do poziomu referencyjnego ustalanego dzielnikiem R0 - R3. W roli P1 można zastosować potencjometr wieloobrotowy co umożliwi dokładną regulację napięcia. Inną metodą jest wykorzystanie dwóch potencjometrów jednego o małej a drugiego o dużej wartości. Potencjometr o małej wartości posłuży w tym wypadku do regulacji dokładnej napięcia.

Rezystor R2 (0.2R/5W) wraz z tranzystorem T6(BC548) pracuje w roli zabezpieczenia nad prądowego (ograniczenia prądu). Jeśli prąd pobierany z zasilacza rośnie to spadek napięcia na R2 także wzrasta. Otwierający się tranzystor T6 przy spadku napięcia równym około 600mV spowoduje zwarcie między emiterem a bazą tranzystorów sterujących a tym samym ograniczy prąd płynący przez T1. Działa tu kolejne sprzężenie zwrotne, a prąd zostanie ograniczony do wartości około 0.6/R2 ,co w tym przypadku daje 3A. Wartość rezystora należy dobrać we własnym zakresie, mając na uwadze zastosowany transformator i jego osiągi. W roli T1 w większości wypadków konieczne będzie zastosowanie kilku tranzystorów połączonych równolegle aby rozłożyć płynący prąd i rozpraszanie mocy na kilka tranzystorów. Zostało to dokładnie opisane w dziale budowa

Za regulację ujemnej połówki zasilania bezpośrednio odpowiada wzmacniacz operacyjny U2 (TL081). Jego wyjście steruje bezpośrednio tranzystorami T3 (BD140) i T4(BD912). Rezystor R9 (560R) ogranicza prąd bazy T3, pełniąc analogiczną rolę jak R1 w dodatniej połówce zasilacza. Dzielnik R6 (100k), R7 (100k) i P2 (10k) dobrany jest w taki sposób aby w stanie ustalonym na suwaku P2 panował potencjał masy. Wzrost napięcia na wyjściu dodatniej połówki zasilacza spowoduje wzrost potencjału na suwaku potencjometru P2, jednocześnie wzmacniacz U1 dążąc do zrównania potencjału na swoich obu wyjściach spowoduje obniżenie ujemnej połówki zasilania za pośrednictwem elementów regulacyjnych T3 i T4. Napięcie na ujemnej połówce będzie zatem podążać za dodatnim o ile tylko dzielnik R6, R7, P2 będzie ustawiony na podział 1:1. Tranzystor T5 (BC557) ogranicza prąd w ujemnej połówce zasilania w taki sam sposób jak opisany wcześniej T6 w dodatniej połówce. Maksymalna wartość prądu w tym przypadku to 0.6/R8.

Do gniazd IN1 (ARK) oraz IN2(ARK) należy podłączyć dwa niezależne uzwojenia transformatora zasilającego. Napięcie zostanie wyprostowane w mostkach Br1 (5A) i Br2 (5A) oraz będzie filtrowane za pomocą pojemności C1, C2 (4700uF) oraz C3, C4 (100nF) po czym trafia bezpośrednio na tranzystory główne T1 i T4 (każdy z nich w praktyce może się składać z wielu tranzystorów połączonych równolegle). Na wyjściu napięcie filtrują kondensatory C6, C7 (470uF) oraz C9, C10 (100nF). Wyjściem zasilacza jest złącze OUT (ARK) na którym dostępne jest regulowane napięcie symetryczne względem masy. Dodatkowo na płytce możliwe jest wlutowanie dzielników R10-R13 dzięki którym możliwy jest pomiar napięcia wyjściowego za pomocą mikrokontrolera z przetwornikiem ADC. Nie jest to rozwiązanie dobre ale pozwala szybko zrobić wskaźnik napięcia.

Budowa:

Układ z powodzeniem można zbudować w oparciu o płytkę drukowaną dostępną tutaj. Rysunek w odbiciu lustrzanym dostępny jest tutaj. Montaż układu nie jest skomplikowany, elementy są bardzo daleko od siebie a kolejność montażu jest dowolna. Zanim jednak zaczniemy lutowanie rezystorów konieczne będzie wyznaczenie wartości R3, P1 i R5. Rezystor R3 ustala poziom napięcia na wejściu wzmacniacza błędu (pin 5 U1), a jego dobór jest prosty i sprowadza się do policzenia jednego dzielnika napięcia. Napięcie na nóżce 5 układu U1 jest jednocześnie minimalnym napięciem jakie da się ustawić na wyjściu zasilacza. Korzystamy z następującego wzoru:

$$\large U_s = V_R \cdot \frac{R_0 R_3}{R_0 + R_3}$$

który po przekształceniu sprowadza się do postaci:

$$\large R_3 = \frac{V_S/V_R \cdot R_0}{1- V_S/V_R}$$

V_S to żądane napięcie na wejściu wzmacniacza błędu, a V_R to referencja dostępne na nóżce 6 układu U1 (zwykle 7V ale polecam zmierzyć). W układzie modelowym rezystor R3 jest równy 4,7k, co daje napięcie na wzmacniaczu błędu około 3,2V. Drugim krokiem jest dobranie wartości potencjometru P1 i rezystora R5, od których zależy maksymalne napięcie wyjściowe zasilacza. Zapisujemy zatem dwa równania opisujące dwa skrajne ustawienia potencjometru P1, pamiętając że układ dąży do tego aby napięcie na suwaku potencjometru zrównało się z napięciem U_S ustawionym na wzmacniaczu błędu:

$$\large U_S = U_{max} \cdot \frac{R5}{R5 + P1 + R4}$$
$$\large U_S = U_{min} \cdot \frac{R5}{R5 + R4}$$

Z porównania tych dwóch wzorów otrzymujemy zależność:

$$\large R5 = \frac{U_{max} \cdot R4 - U_{min} \cdot (R4 + P1)}{U_{min} - U_{max}}$$

Przyjmując typową wartość potencjometru taką jak w układzie modelowym (50k) oraz zakładając żądany zakres regulacji napięcia wyjściowego od 3.3V do 26V łatwo obliczmy wartość R5 poniżej 7k. Przyjmując najbliższą wartość z szeregu dostajemy R5 = 6,8k.

Po zmontowaniu elementów na płytce przyszedł czas na zamontowanie tranzystorów mocy T1 oraz T4. Na płytce w ich miejsce wygodnie jest zamontować złącza ARK, a same tranzystory dołączyć za pomocą przewodów. T1 i T4 muszą być zamontowane na radiatorach, najlepiej oddzielnych. Jeśli z jakiegoś powodu będzie dostępny tylko jeden radiator to obowiązkowe będą podkładki izolacyjne pod tranzystory. Jeśli pobór prądu z zasilacza przy niskich napięciach nie będzie duży, rzędu 0.5A to powinien z powodzeniem wystarczyć pojedynczy tranzystor. Jeśli natomiast wydajność 3A miała by być dostępna także przy napięciach rzędu 5V to można wykorzystać równoległe połączenie tranzystorów zgodnie z rysunkiem poniżej:

Na wejście układu należy dołączyć transformator z podwójnym uzwojeniem o napięciu 2x24V AC i mocy zależnej od potrzeb. Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie transformatora 4x12V i przełączanie jego uzwojeń wtórnych. Gdy korzystamy z niskich napięć mogą pracować uzwojenia 12V, a przy większych napięciach po dwa szeregowo połączone uzwojenia 12V, dające w sumie 2x24V. Takie skomplikowane z pozoru rozwiązanie znacznie poprawi sprawę z odprowadzaniem ciepła z radiatorów. Realizacja przełączania uzwojeń widoczna jest na rysunku poniżej:

Pomocą w konstrukcji może okazać się schemat montażowy dostępny tutaj.

Wykaz Elementów:

2x Złącze ARK2 (trafo)
2x Złącze ARK3 (tranzystory)

2x 0,2R 5W 1% (lub 4x 0,1R 3W 1%)

1x 220R
2x 510R
2x 560R
1x 4,7k
1x 5,6k
1x 6,8k
2x 30k
2x 100k
1x 10k Potencjometr Montażowy
1x 50k Potencjometr Obrotowy

1x 1nF
4x 100nF
2x 470uF Elektrolit
2x 4700uF Elektrolit

2x Mostek Prostowniczy 5A
1x BC548
1x BC557
1x BD139
1x BD140
3x BD911
3x BD912
1x TL081
1x uA723

Zdjęcia Projektu:

Załącznik	Wielkość
Schemat	40.73 KB
Płytka	15.9 KB
Płytka (odbicie lustrzane)	15.98 KB
Płytka (6 na stronie)	40.48 KB
Montowanie	19.72 KB
Opis	23.65 KB
Soldermaska	20.49 KB