Лабораторный бп своими руками схема. Высоковольтный лабораторный источник питания своими руками: схема, сборка, особенности

Затем я злюсь и начинаю просматривать eBay в поисках лишнего оборудования, но все всегда «слишком тяжелое» для отправки и/или «слишком просторное» для моего места на скамейке. Через какое-то время разочарование доходит до того, что я начинаю смотреть на новые предложения оборудования, а потом снова удивляюсь тому факту, что в наши дни высоковольтные linear почти исчезли. Он считается нишевым продуктом и обычно должен изготавливаться под заказ, поэтому цены могут быть астрономическими. На этом проверка реальности закончена, и я возвращаюсь к своим повседневным делам.

И вот, в один прекрасный день, мне в дверь звонят и приходит эта посылка с коробкой от хорошего друга (спасибо Е.А.):

Теперь все стало серьезно. Этого достаточно, чтобы удовлетворить мои потребности в тюбиках в течение длительного времени (а также продать некоторые из них, поэтому проверьте раздел «Продается»). Но ни за что, черт возьми, я не проверю их всех с помощью моей пожароопасной высоковольтной установки. Итак, в лучшем духе футурамы, я решил сделать свой собственный высоковольтный лабораторный блок питания! И забудьте о тематическом парке…

Цели дизайна

• Небольшой фактор размера — с годами место на рабочем столе стало настоящей проблемой, поэтому не было ничего больше, чем 150×200 мм на передней панели.
• Регулирование напряжения и тока — очевидно, в режимах постоянного тока или постоянного напряжения.
• Низкий уровень шума и линейная стабилизация (пульсации холостого хода <2 мВ Vpp) — не поймите меня неправильно, я видел много хороших попыток и даже участвовал в разработке печатной платы для импульсного источника питания с низким уровнем шума. Это может быть сделано. Но если вы думаете, что это что-то, что можно бросить на макетную плату, и оно полетит — подумайте еще раз.
• Минимум 300 В (450 В было бы неплохо!) и 200 мА тока (в худшем случае один канал лампового усилителя класса А с сильным смещением)
• Дополнительный фиксированный канал 300 В при 5 мА — для смещения этих крошечных сеток пентодов.
• Должен иметь «Output Enable/Disable» — рекомендуется сначала подключить датчики к цепи, а затем включить ее.
• Не обращайте особого внимания на выходное сопротивление (может быть в Омах).
• Не слишком заботьтесь о «лабораторных вещах» — регулирование сети и нагрузки с измерением Кельвина, временем восстановления грозовой нагрузки и программируемыми функциями здесь не рассматривается.

Чемодан

Я чувствую, что за свою жизнь сделал достаточно чехлов для всевозможных устройств, поэтому на этот раз решил купить что-нибудь вместо этого. Конечно, ваш пробег может отличаться, поэтому не стесняйтесь попробовать. Правильные вещи обычно недешевы, поэтому будьте готовы потратить не менее 50 долларов на общую «коробку для проекта» подходящего размера. Или вы можете выбрать модный алюминиевый, который обойдется вам в 100 долларов или больше. Затем есть ручки, переключатели, разъемы, дисплей напряжения и тока, так что в конце дня вы смотрите на 100-200 долларов только за коробку, которая выглядит как блок питания. Ни в коем случае не хорошее начало. Поэтому я начал искать на китайских рынках дешевые «промо» блоки питания. А что вы знаете! Они стоят всего 50 долларов. Да, включая доставку.

Этот называется eTommens eTM-305, но я чувствую, что это часть их OEM-дизайна, который вы просто прикрепляете к имени своей компании и перечисляете на Али. И даже когда пишу это, я вижу, что он указан за 56 долларов США. Это безумие. И знаете, что самое смешное? Это действительно работает! Я не буду делать обзор здесь, но мой блок соответствовал своим спецификациям и производил пульсации 20 мВ (среднеквадратичное значение) при 30 В и 5 А. Это более 20 МГц BW, что впечатляет для продукта по местной цене, вероятно, не более 20 долларов США. Я понятия не имею, как им это удается, но опять же — я не экономист. Вероятно, это как-то связано с массовым производством и созданием эфира из воздуха… Что я точно знаю, так это то, что теперь у меня есть все, что мне нужно для продолжения моего проекта.

Схемотехника

Точнее, ее отсутствие. Я планировал это так давно, что за это время у меня накопилось большое количество дизайнерских идей и мне просто не терпелось сделать это с нуля. Итак, вот оно — этот дизайн основан на работе Хорста Мауза и его схемах «Labornetztei 350/400mA». Очень минималистичная и базовая идея дизайна. Один двойной ОУ и пара транзисторов — мне нравится. Я имею в виду, что существует не так много способов построить последовательный стабилизатор напряжения и ограничитель тока с операционными усилителями. Так что я уверен, что сделал бы это почти так же, даже если бы я никогда не видел это в первую очередь. Но я отвлекся.

Вернемся к основам. Так как же спроектировать линейный источник питания высокого напряжения? Что ж, все коммерческие разработки, которые я видел (кроме действительно экзотических), можно разделить на две группы. Назовем их «регулирование переменного тока» и «регулирование постоянного тока». Вот несколько диаграмм функциональных блоков, чтобы лучше проиллюстрировать мою точку зрения.

Это «регламент постоянного тока», и он настолько прост, насколько это возможно. У нас есть первичный трансформатор с положительным коэффициентом, подключенный к мостовому выпрямителю, питающему крышку основного резервуара. Затем напряжение постоянного тока регулируется транзистором до желаемого уровня, а измерение тока используется для его ограничения до заданного значения. На самом деле это блок-схема цепи, о которой я упоминал ранее. Однако у этого подхода есть одна серьезная проблема. В случае короткого замыкания наш регулирующий транзистор должен рассеивать огромное количество тепла. В нашем наихудшем сценарии это будет 450 В, умноженное на 0,2 А, равное 9.0 Вт! (140 Вт в оригинальном дизайне, ой…).

Для решения этой проблемы используется «регулировка переменного тока». Это имеет несколько реализаций, но основная идея состоит в том, чтобы контролировать напряжение переменного тока, поступающее на крышку основного резервуара, в зависимости от требований к выходному напряжению.

Это работает достаточно хорошо, а с современными SCR и тщательной компоновкой может быть действительно малошумным. Хотя технически это импульсный блок питания, но мы переключаем сетевое напряжение на очень низкой частоте. Единственным возможным недостатком может быть более сложная схема управления SCR, но на самом деле ничего необычного.

И, наконец, мы приходим к решению для улучшения «регулирования постоянного тока». Здесь мы переключаем наши вторичные обмотки трансформатора в зависимости от требований к постоянному напряжению. Очень примитивное решение. И очень тяжело его испортить. Эффективность хуже, чем при переключении переменного тока, но эй! По крайней мере (почти) ничего не переключается, верно? Так что давайте с этим.

Схемы

Вот окончательные схемы «как сборка». Вы можете скачать PDF для лучшего просмотра. Давайте быстро пройдёмся по нему.

В основе этого БП лежит трансформатор Т1. Сейчас сложно найти что-то подобное. Лучший выбор — онлайн-аукционы и трансформаторы из старого оборудования Tektronix. К счастью для меня, у меня был этот старый трансформатор от древнего лампового телевизора. Имеет множество первичек на разное напряжение (110В, 125В, 150В, 220В, 240В). Так что я просто обратно подключил вторичную обмотку 230В к сети и теперь у меня было много вторичок. К сожалению, этого было недостаточно. При 200мА у меня было только 200В вместо 240В. Думаю, я слишком многого требовал от этих крошечных вторичных обмоток. Поэтому мне пришлось использовать еще один старый трансформатор в серии и ограничиться только 300 В постоянного тока после регулирования. Не хорошо. Но не похоже, что у меня кончится это старое железо в ближайшее время.

Здесь можно использовать только новые и имеющиеся в наличии трансформаторы 230 В Pri / 2X115 В Sec. Например, этот TST 100/028 от INDEL подойдет для 300 В постоянного тока. И это тоже должно подойти к делу. Конечно у вас останется только два отвода напряжения, но это все равно вдвое меньше рассеиваемой мощности.

Я думаю, питание ±12 В говорит само за себя. T2 должен быть рассчитан как минимум на 0,5 А, так как в моем случае потребление тока на положительной линии составляло ~ 300 мА. Далее у нас есть двухполупериодный мостовой выпрямитель D5, D8, D9.,D15 из BYV26C. Я особенно рекомендую использовать диоды с «мягким» или «быстрым» переключением в этом положении из-за отсутствия шума переключения. В противном случае зашунтируйте диоды конденсаторами емкостью 1 нФ. C4 является крышкой основного резервуара и должен быть не менее 680 мкФ и рассчитан на 450 В. Больше емкости никогда не помешает. Предохранитель на 2,5А на случай, если что-то попадет в вентилятор. 680 мкФ при 450 В — это МНОГО энергии, и мы ничего здесь не свариваем.

D6, D10 производит однополупериодный выпрямитель для выхода 300 В BIAS. R5 выступает в роли предохранителя, Q1 — это классика — пожиратель пульсаций, виртуальная батарея, активный фильтр — столько названий у такой простой вещи. Он просто отфильтровывает переменный ток, а здесь еще и стабилитроны D11, D13, D16, зажатые до ~300В. Q2 должен быть на небольшом радиаторе, так как он действует как каскод для источника тока JFET Q3 и принимает на себя все падение напряжения в случае короткого замыкания. Q3 может быть любым N или P ch. JFET настроен на желаемый ток (просто отрегулируйте его соединение и исходный резистор соответственно).

Здесь у нас основное действие. U3A действует как ограничитель тока. Положительный вход операционного усилителя измеряет ток через шунтирующий резистор R54, сравнивает его с установленным напряжением Ipot и открывает базу Q13 в случае перегрузки по току. Q13 притягивает затворы регулирующих транзисторов Q5-Q8 к земле, тем самым устанавливая выходное напряжение на уровне, обеспечивающем установленный ток (режим CCS).

U3B действует как регулятор напряжения, сравнивая выходное напряжение 1:100 резистивного делителя R28, R57,58 с заданным напряжением Vset и открывая базу Q13 для достижения равновесия (режим CV). U4 генерирует опорное напряжение +5В. Q11 действует как каскод и удерживает коллектор Q13 на 1/2 напряжения питания, что позволяет использовать MJE340 выше 300 В и обеспечивает все преимущества двухкаскадного каскодного усилителя. R16, C7 составляют RC-фильтр, чтобы помочь с PSRR, а R22 действует как источник тока. Это трио можно было бы заменить полноценным CCS, но с увеличением пропускной способности возникает больше проблем со стабильностью. Это можно было бы сделать с подходящей печатной платой, но на макетной плате — очень плохая идея.

C8 действует как выходной конденсатор и должен быть не менее 220 нФ. C9, C10 BW ограничивает контуры тока и напряжения соответственно. Их можно немного изменить, взглянув на выбросы при отключении и восстановлении из-за перегрузки по току в осциллографе. Компенсационный колпачок C11 необходим для подавления некоторых ВЧ-звонов при срабатывании ограничения тока. R39, R42 устанавливают максимальный ток и напряжение. Не обращайте внимания на потенциометры 10 кОм и 1 кОм для настройки тока и напряжения. Это именно то, что у меня уже было на передней панели моего устройства. Вы можете просто использовать одиночные 100 Ом для тока и 10 кОм для напряжения.

Просто помните, что это точки с высоким импедансом, и они очень чувствительны к помехам. Здесь мне пришлось использовать сбалансированный аудиокабель с двойным экраном. Прокладка кабеля тоже должна быть осторожной (не располагайте его рядом с трансформаторами).

Все остальное действительно для защиты. D28, D29 ограничивает входной дифференциал операционного усилителя. напряжение до 0,7В, D24-D27 разделяет выходы операционных усилителей, D20, D21 — защищает затворы мосфетов, D19, D18 — предотвращает обратное смещение, D22, D23 — на случай, если выход превысит 1 кВ и D19терпит неудачу.

Переключение вторичных цепей трансформатора основано на U1 и U2, которые действуют как компараторы. Резисторы обратной связи 1 МОм добавляют немного гистерезиса, чтобы предотвратить дрожание реле. R2 и R10 задают первое и второе напряжения переключения. В нормальном режиме CV реле переключаются в зависимости от напряжения потенциометра Vset. При перегрузке по току Q10 открывается и отключает напряжение Vset. Теперь реле срабатывают в зависимости от реального выходного напряжения Vmeas. Это все нужно в первую очередь для надежной последовательности запуска. Q10, Q9, Q4, а также Q12, Q14 могут быть любыми маломощными транзисторами общего назначения (2N2222, BC550, BC547 и т. д.).

И, наконец, у нас есть буферизация и вычитание напряжения, выполняемые U5 и U6. Через резистор R54 проходит около 10 мА постоянного тока, поэтому U5B и U6B заботятся об этом постоянном падении напряжения.

Q15 обеспечивает очень простой контроль температуры вентилятора. Поместите R55 на основной радиатор и отрегулируйте R61, чтобы включить ВЕНТИЛЯТОР при достижении желаемой температуры.

Взаимодействие с дисплеем

Это было не очень прямолинейно, и, оглядываясь назад, я, вероятно, должен был отказаться от платы дисплея и пойти на обычный комплект светодиодного вольтметра.

Но я этого не сделал. Так что, если кто-то еще хочет быть таким же упрямым, как я, вот как вы это делаете (хотя вас предупредили).

На моем устройстве данные для драйвера дисплея предоставляются микроконтроллером N76E003 на базе Nuvoton 1T 8051. Штыри 1,2 и 19, 20 сконфигурированы как аналоговые входы, и они являются выборкой напряжения для соответствующего отображения. Все идет нормально. Что странно и не имеет никакого смысла, так это то, почему они ввели смещение напряжения при расчете отображаемых значений. Таким образом, для напряжения — смещение составляет 55 мВ для отображения 1 В, а для тока — смещение составляет 0,4 В! для отображения 1 мА. Какая чепуха.

Я не реверсировал целое устройство только для того, чтобы выяснить, по какой именно бредовой причине они должны это делать, но да… даже в 2020 году чудеса китайской инженерии не разочаровывают. После смещения масштабирование составляет 8,5 мВ/1 мА и 13 мВ/1 В для заданного напряжения и 0,75 мВ/1 В для измеренного напряжения. Опять — Что? Почему? Как бы то ни было… Итак, нужно выполнить некоторые (на самом деле многие) арифметические действия.

Сначала мы генерируем соответствующее смещение с помощью R99, R71 и R76. Затем мы добавляем его к соответствующим напряжениям, используя U7A, U8A, и усиливаем его с помощью U7B, U8B. Vmeas необходимо уменьшить на R75, R77 перед усилением.

То же самое с токами, только Imeas не требует масштабирования. Я сделал все ступени усиления регулируемыми, чтобы было легко подобрать точные значения. Но история на этом не заканчивается. Точки на дисплеях были не в том месте.

Поэтому я просто отрезал дорожки к контакту №3 на всех дисплеях и подключил их вручную. Возможно, было более элегантное решение, но в то время мое терпение было на исходе.

Индикатор напряжения должен отображать вторую точку при настройке напряжения ниже 100 В. Это достигается с помощью U11A. Но ждать! Все три точки горят! Да, они. Но для этого и придумали черную изоленту 🙂 Так что просто наклейте ее, где нужно, и готово. Та же история с точкой индикации мощности. Он должен гореть только при включенном выходе. Это обеспечивается Q19и Q20. Источником базового напряжения для Q19 является контакт 16 MCU, который имеет ВЫСОКИЙ уровень, когда выход включен. Коллектор Q20 также управляет выходным реле, которое подключено к отрицательному источнику питания (а также к вентилятору), чтобы снизить нагрузку на положительную шину 12 В.

Результат

Вот несколько снимков из прицела, которые я сделал, возясь с этим Франкенштейном.

Это переходная реакция в наихудшем случае. Открытая линия 300 В на ограниченное короткое замыкание 200 мА и обратно на открытую линию. Слева вы можете увидеть увеличенный момент короткого замыкания. В целом неплохой результат для макетной платы.

А вот и выходной шум. Около 5 мВ пик-пик при разомкнутой линии и 20 мВ пик-пик при токе нагрузки 200 мА (при 300 В). Также очень разумно все считается.

Lab Power Supply Circuit Variable 30 Volt

8 месяцев назад 3 июля 2020 г. Фариха Захид

В этом уроке мы покажем вам, как сделать недорогую, качественную, стабильную и регулируемую схему источника питания . Он прост в сборке и может использоваться в качестве лабораторного источника питания. Источник питания — это устройство, которое преобразует один вид электрической энергии в другой. Выход этой схемы питания составляет от 2,5 В до 27,5 В постоянного тока.

Микросхема, которую мы используем в этом проекте, — TL431. Это трехвыводная микросхема с регулируемым шунтирующим стабилизатором, способная обеспечивать выходное напряжение от 2,5 В до 36 В с помощью всего нескольких внешних компонентов. Он точен и имеет встроенную схему термостабильности с низким выходным шумом и низкой стоимостью. Он доступен в небольших корпусах и корпусах для поверхностного монтажа и может использоваться для создания всех видов источников питания.

Купить на Amazon

Аппаратные компоненты

Следующие компоненты необходимы для изготовления схемы лабораторного источника питания

Распиновка TL431

Для подробного описания распиновки, размеров и технических характеристик загрузите техническое описание TL431

Схема лабораторного источника питания и некоторые другие компоненты.