Zdroj s proudovým omezením (KTE)

KTE 2003/04

Stavebnice KTE611

Zdroje, a zejména ty velmi jednoduché, stabilizované (až laboratorní) jsou neustále žádané a vděčné téma. Důvody jsou pochopitelně nasnadě. Vysoká cena již hotových profesionálních výrobků ve srovnání s vlastním, pro osobní potřeby upraveným, produktem.

Stabilizované zdroje nalezneme v téměř každém zařízení a výjimku tvoří snad jen bateriově napájená zapojení. Jen málokdo si dnes dovede představit jakoukoli elektroniku obsahující integrované obvody (a to bez ohledu na to, zda logické či analogové) bez použití stabilizovaného napájení. Inu je to logické, neboť moderní monolitické stabilizátory jsou velmi levné a výhody používání stabilizovaného napájení nesporné. Stabilizací si lze velmi usnadnit již samotný návrh jakéhokoliv obvodu, protože nejsme nijak závislí na kolísání napětí, které by bylo nutné brát v úvahu, ale také můžeme snadno eliminovat vliv kolísání napájecího napětí na vlastní funkci obvodu při nedokonalé filtraci (což ušetří peníze za stále ještě poměrně drahé elektrolytické kondenzátory). Elektronici zabývající se logickými obvody pak mají díky stabilizátorům život výrazně lehčí, neboť mají k dispozici poměrně tvrdé napájecí zdroje, a odpadá tak řada problémů s poklesy napájecího napětí při změnách logických stavů. Nastavitelný stabilizovaný zdroj pak umožňuje svému majiteli nestarat se při vývoji jakéhokoliv obvodu o napájecí zdroj a stabilizaci, který se v naprosté většině případů podřizuje potřebě vyvíjeného zařízení. Stačí sáhnout po laboratorním zdroji, nastavit požadovanou hodnotu výstupního napětí a připojit zkoušený obvod. Laboratorní zdroje pak navíc disponují omezením výstupního proudu ať již formou proudové pojistky, která po překročení nastaveného proudu přeruší napájení zkoušeného obvodu, nebo ve formě proudového omezovače, při kterém zdroj po dosažení mezní hodnoty odběru přejde do režimu konstantního proudu, ve kterém udržuje stálou hodnotu proudu do obvodu tekoucího, bez ohledu na velikost zátěže. Nyní přinášíme návod na jednoduchý stabilizovaný zdroj 2 až 30 V a proud až 1,7 A. celý obvod je založen na osvědčeném a již mnoho let vyráběném obvodu 723. Obvod byl v našem časopisu již několikrát podrobně popsán, takže jen stručně. Jde o monolitický integrovaný stabilizátor, mezi jehož největší přednosti patří možnost nastavení výstupního napětí proudu s velmi dobrou stabilitou parametrů, a to vše při malé vlastní spotřebě. Obvod se vyrábí ve dvou základních provedeních, a to v běžném plastovém DIL14 a kovovém s devíti vývody. Obě provedení se od sebe liší jen tím že odvod v DIL14 je univerzálnější, protože obsahuje i výstup se Zenerovou diodou. Jinak je vnitřní struktura, a tudíž i parametry, naprosto shodná. Obvody však nejsou přímo zaměnitelné, mají jinak uspořádané vývody. Na trhu se lze setkat s různým označením kombinací písmen a číslic podle zvyklostí výrobce, ale jádrem zůstává vždy 723. Kupříkladu TESLA MAA 723, nebo SIEMENS TBD 0723. Stabilizátor obsahuje vlastní zdroj referenčního napětí 7,15 ±0,2 V oddělený od dalších obvodů, takže umožňuje nejrůznější využití. Dále má vnitřní struktura zesilovač odchylky a výstupní koncový tranzistor s regulací. Stabilita výstupního napětí je udávána jako lepší než 1,5.10-4 v teplotním rozsahu od 0 °C do 70 °C. Stavebnice představuje snad nejjednodušší možné řešení, pokud chceme regulaci napětí i proudu. A to přece chceme! Ze zdroje referenčního napětí je děličem R2/R3 získáváno napětí 2 V a to je po vyfiltrování kondenzátorem C2 vedeno na neinvertující vstup vnitřního zesilovače odchylky. Napětí pro invertující vstup (vývod 4) se získává z výstupu přes potenciometr P2 a rezistor R6. Je-li potenciometr zkratován, je na invertujícím vstupu přímo výstupní napětí, a to tedy musí být při rovnováze chybového zesilovače právě 2 V. Při plně vytočeném potenciometru pak působí dělič P2/R6 a výstup stoupne až na 35 V při jmenovitých hodnotách součástek. Při využití tolerancí hodnot se může výstupní napětí pohybovat od 27 V do 40 V, což již nedovoli zdroj. Rezistor R6 můžeme zanedbat, ten má odchylku 1 %, ale potenciometr je svými ±20 % pro tyto účely nevhodný. Lepší ale v této cenové relaci není, a tak se s tím musíme smířit. Hodnota R6 byla zvolena tak, aby i potenciometr blížící se dolní hranici hodnoty ještě vyhověl. Vzhledem k tomu, že výstupní napětí je stejně nutné kontrolovat voltmetrem, není tento nedostatek zase až tak příliš vážný. Kondenzátor C3 kompenzuje kmitočtovou charakteristiku vnitřního zesilovače a brání tak možnosti vzniku oscilací způsobených velkým zesílením smyčky zpětné vazby. Výstup IO1 (vývod 10) je schopen dát 150 mA proudu, což je pro naše účely málo, a tak musí být použit výkonový tranzistor T1. Kondenzátor C4 likviduje zákmity, které by se na tranzistoru mohly objevit. Proudová regulace je odvozena ze snímacích rezistorů R7, R8 v emitoru T1. Úbytek vznikající na těchto rezistorech, zvětšený o napětí přechodu EB, je přiváděn přes potenciometr P1 a ochranný rezistor R4 na bázi interního řídícího tranzistoru. Pro nasazení proudového omezování musí být napětí mezi vývody 2 a3 IO1 větší než 0,65 V. Z toho vyplývá, že při levé krajní poloze potenciometru stačí pro získání tohoto napětí proud již cca 20 mA. V pravé poloze se pak uplatní dělič P1/R5 a výsledkem je proud cca 1,7 A, opět při jmenovitých hodnotách součástek. Změnou rezistoru R5 můžeme tedy ovlivnit proud v obou směrech. Protože potřebujeme i při malých proudech dostatečné napětí nemůže být odpor R7,R8 příliš malý, ale to se zase projeví velkou výkonovou ztrátou při velkých proudech. Tedy kompromis ze dvou paralelně řazených rezistorů. Před výstupní svorku je zařazena dioda D3, která má chránit obvod při vypnutí nebo snížení výstupu proti pronikání většího napětí ze spotřebičů s velkou vstupní kapacitou. Napájení tvoří běžný Graetzův usměrňovač s velkou filtrací. Transformátor by měl mít napětí 28 V (39 V po usměrnění bez zátěže), pak je zdroj schopen správně pracovat. Při vyšším napětí by nastaly potíže s napájením obvodu 723. Ten má totiž nejvyšší dovolené napětí jen 40 V, a proto je do jeho napájecího přívodu vložen rezistor R1 a Zenerova dioda D2 39 V. Tento obvod má za úkol pouze chránit IO1 před napěťovými špičkami a krátkodobým přetížením; na víc není dimenzován. Z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti provozu je tedy vhodnější zvolit raději nižší napájecí napětí a oželet možnost využívat nejvyšší napětí s maximálním proudem. Jak je z obrázků zřejmé, je zařízení skutečně velice jednoduché. Protože ve stavebnici dodávaná deska má otvory jen předvrtané jednotným průměrem, zahájíme práci úpravou otvorů pro součástky, které mají silnější vývody. Po osazení vestavíme obvod do krabičky, kterou jsme si zvolili nebo zhotovili. Zde je nutné pamatovat na chlazení. Součástí stavebnice není chladič pro koncový tranzistor, protože předpokládáme, že si každý tento prvek navrhne a upraví podle konečné podoby celého přístroje. Jen musíme mít na paměti, že v extrémních podmínkách – malé výstupní napětí a velký proud – vyrábí tranzistor přes 40 W a toto teplo musí pryč, a to velice svižně. Teplota tranzistoru by mohla stoupnout nad přípustnou mez a ten by se odvděčil odchodem a možná že by si na cestu vzal ještě něco sebou. Může se stát, že bude nutný i ventilátor, a pak se může hodit i nějaký jednoduchý teplotní spínač, ale o tom zase až někdy jindy. Vzhledem k tomu, že zařízení nemá žádné vnitřní nastavovací prvky, spočívá oživení vlastně jen v kontrole parametrů. To platí ovšem jen za předpokladu že při osazování se nevloudila žádná chybička. Chceme-li zařízení používat skutečně jako laboratorní zdroj, bude vhodné zabudovat zařízení do krabičky a doplnit ho o vhodný transformátor. Ten je potom moudré opatřit pojistkou a vypínačem. Vzhledem k tomu, že každý bude zdroj používat k jinému účelu, není trafo součástí stavebnice, což platí i o krabičce, která bude naopak podřízena právě transformátoru.

seznam součástek:

Webdesign a autor většiny článků: Jakub Fulín (PCtun)

2009