Схема регулярного блока питания 0 30 вольт. Регулируемый блок питания 0-30В 5А: схема, принцип работы, сборка

Рис. 1: Список компонентов, необходимых для регулируемых от 0 до 30 В 2A. DC.0002 Рис. 2: Блок-схема регулируемого источника питания постоянного тока от 0 до 30 В, 2 А

Соединения цепи —

Схема собирается поэтапно, каждый каскад служит определенной цели. Для понижения 230 В переменного тока берется трансформатор 18 В — 0 — 18 В. Вторичная обмотка трансформатора соединена с мостовым выпрямителем. Полномостовой выпрямитель построен путем соединения четырех диодов SR560 друг с другом, обозначенных на схемах как D1, D2, D3 и D4. Катод D1 и анод D2 подключены к одному из концов вторичной катушки, а катоды D4 и анод D3 подключены к другим концам вторичной катушки. Подключены катоды D2 и D3, из которых одна клемма выведена с выхода выпрямителя, и подключены аноды D1 и D4, из которых другая клемма выведена из выхода двухполупериодного выпрямителя. Плавкий предохранитель на 2А подключен последовательно к выходной клемме на катодных переходах D2-D3 для безопасности.

Конденсатор емкостью 470 мкФ (обозначен на схеме как C1) подключен между выходными клеммами двухполупериодного выпрямителя для сглаживания. Для стабилизации напряжения два стабилитрона номиналом 12В и 18В включены последовательно параллельно сглаживающему конденсатору. К стабилитронам последовательно подключено переменное сопротивление для регулировки напряжения и параллельно подключен конденсатор емкостью 10 мкФ (на схеме обозначен как С1) для компенсации переходных токов. Два NPN-транзистора (обозначенные на схемах как Q1 и Q2) соединены последовательно как усилитель пары Дарлингтона на одной из выходных клемм для достижения желаемого коэффициента усиления по току. Выход пары Дарлингтона дополнительно подключен к NPN-транзистору (обозначенному на схеме как Q3) и сопротивлению (обозначенному на схеме как R3) для защиты от короткого замыкания.

Получите схему, нарисованную или распечатанную на бумаге, и тщательно выполняйте каждое соединение. Только после проверки каждого соединения, выполненного правильно, подключите силовую цепь к источнику переменного тока.

Как работает проект –

Силовая цепь состоит из четко определенных стадий, каждая из которых служит определенной цели. Схема работает на следующих этапах – 

1. Преобразование переменного тока в переменный

2. Преобразование переменного тока в постоянный – Полноволновое выпрямление

3. Сглаживание

4. Компенсация переходного тока

5. Регулировка напряжения

6. Регулировка напряжения

7. Усиление тока

8. Защита от короткого замыкания

Преобразование переменного тока в переменный

Напряжение основного питания (Электричество, подаваемое промежуточным трансформатором после понижения линейного напряжения от электростанции) составляет примерно 220-230 В переменного тока, которое в дальнейшем необходимо понизить до уровня 30 В. Для снижения 220 В переменного тока до 30 В переменного тока используется понижающий трансформатор.

В цепи наблюдается некоторое падение выходного напряжения из-за резистивных потерь. Поэтому необходимо взять трансформатор с высоким номинальным напряжением, превышающим требуемые 30 В. Трансформатор должен обеспечивать ток 2А на выходе. Наиболее подходящим понижающим трансформатором, отвечающим указанным требованиям по напряжению и току, является 18В-0-18В/2А. Этот трансформатор понижает напряжение основной сети до 36 В переменного тока, как показано на рисунке ниже.

Рис. 3: Принципиальная схема трансформатора 18-0-18 В

Преобразование переменного тока в постоянный — двухполупериодное выпрямление

Пониженное напряжение переменного тока необходимо преобразовать в напряжение постоянного тока посредством выпрямления. Выпрямление – это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Есть два способа преобразовать сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. Один — полуволновое выпрямление, а другой — двухполупериодное выпрямление. В этой схеме двухполупериодный мостовой выпрямитель используется для преобразования 36 В переменного тока в 36 В постоянного тока. Двухполупериодное выпрямление более эффективно, чем однополупериодное, поскольку оно обеспечивает полное использование как отрицательной, так и положительной стороны сигнала переменного тока. В конфигурации двухполупериодного мостового выпрямителя четыре диода подключены таким образом, что ток протекает через них только в одном направлении, в результате чего на выходе появляется сигнал постоянного тока. Во время двухполупериодного выпрямления одновременно два диода становятся смещенными в прямом направлении, а еще два диода смещаются в обратном направлении.

Рис. 4. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя

Во время положительного полупериода питания диоды D2 и D4 работают последовательно, в то время как диоды D1 и D3 смещены в обратном направлении, и ток протекает через выходную клемму, проходящую через D2, выходной терминал и D4. Во время отрицательного полупериода питания диоды D1 и D3 работают последовательно, но диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и ток протекает через D3, выходную клемму и D1. Направление тока через выходную клемму в обоих направлениях остается одинаковым.

Рис. 5: Принципиальная схема, показывающая положительный цикл двухполупериодного выпрямителя

Рис. 6: Принципиальная схема, показывающая отрицательный цикл двухполупериодного выпрямителя

Диоды SR560 выбраны для создания двухполупериодного выпрямителя, поскольку они имеют максимальный (средний) номинальный прямой ток 2 А, а в условиях обратного смещения они могут выдерживать пиковое обратное напряжение до 36 В. Вот почему в этом проекте для двухполупериодного выпрямления используются диоды SR560.

Сглаживание

Как следует из названия, это процесс сглаживания или фильтрации сигнала постоянного тока с помощью конденсатора. На выходе двухполупериодного выпрямителя нет постоянного напряжения. Выход выпрямителя имеет удвоенную частоту основного питания, но все еще содержит пульсации. Поэтому его необходимо сгладить, подключив конденсатор параллельно выходу двухполупериодного выпрямителя. Конденсатор заряжается и разряжается в течение цикла, давая на выходе постоянное напряжение постоянного тока. Итак, к выходу схемы выпрямителя подключен конденсатор большой емкости (обозначенный на схеме как C1). Поскольку постоянный ток, который должен быть выпрямлен схемой выпрямителя, имеет много всплесков переменного тока и нежелательных пульсаций, поэтому для уменьшения этих всплесков используется конденсатор. Этот конденсатор действует как фильтрующий конденсатор, который пропускает весь переменный ток через него на землю. На выходе среднее постоянное напряжение остается более плавным и без пульсаций.

Рис. 7: Принципиальная схема сглаживающего конденсатора

Компенсация переходных токов

На выходных клеммах силовой цепи конденсатор (обозначенный на схеме как C2) также подключен параллельно . Этот конденсатор помогает быстро реагировать на переходные процессы нагрузки. Всякий раз, когда ток выходной нагрузки изменяется, возникает первоначальная нехватка тока, которая может быть восполнена этим выходным конденсатором.

Изменение выходного тока можно рассчитать по

Выходной ток ,Iвых = C (dV/dt), где

dV = максимально допустимое отклонение напряжения

dt = время отклика на переходный процесс 002 В этой цепи конденсатор 10 мкФ используется так:

C = 10 мкФ

Iвых = 10 мкФ (0,1/100 мкФ)

Iвых = 10 мА

Таким образом, можно сделать вывод, что выходной конденсатор будет реагировать на изменение тока 10 мА при переходном времени отклика 100 мкс.

Рис. 8: Принципиальная схема компенсатора переходного тока

Регулирование напряжения

Силовая цепь должна обеспечивать регулируемое и постоянное напряжение без каких-либо колебаний или изменений. Для регулирования напряжения в схеме необходим линейный регулятор. Целью использования этого регулятора является поддержание на выходе постоянного напряжения заданного уровня.

Рис. 9: Принципиальная схема регулятора напряжения для регулируемого источника питания постоянного тока 0–30 В, 2 А

В этой схеме максимальное напряжение на выходе должно быть 30 В, поэтому стабилитрон на 30 В идеально подходит для регулирования напряжения на выходе. Здесь последовательно соединены два стабилитрона на 12В и 18В, которые дают суммарно 30В на выходе. Стабилитрон на 30 В мощностью 1 Вт или другая комбинация стабилитронов также могут быть использованы для получения 30 В на выходе.

Регулировка напряжения

Для регулировки выходного напряжения от 0 до 30 В к выходу подключается переменный резистор (обозначен на схеме как RV1). Переменный щуп RV1 подключен к коллектору переключающего транзистора BC547 (обозначен на схеме как Q3). Изменяя этот резистор, эмиттер переключающего транзистора будет обеспечивать изменение напряжения от 0 до 30 В.

Усиление тока

Стабилитрон может обеспечивать ток только в миллиамперах. Поэтому для получения высокого тока нагрузки на выходе необходимо последовательно с нагрузкой подключить какой-либо линейный элемент, который мог бы потреблять требуемый ток. В этой схеме в качестве линейного элемента используется биполярный NPN-транзистор. Транзистор BC547 (обозначенный на схемах как Q2) используется для подачи достаточного базового напряжения на биполярный транзистор NPN 2N3055 (обозначенный на схемах как Q1). Транзистор 2N3055 способен обеспечить ток 2А на выходе. Транзисторы соединены по схеме усилителя пары Дарлингтона, чтобы получить требуемый коэффициент усиления по току. В конфигурации пары Дарлингтона чистый коэффициент усиления по току представляет собой произведение коэффициентов усиления по току двух транзисторов.

Суммарный коэффициент усиления по току (hFE total) = коэффициент усиления по току транзистора 1 (hFE t1) x коэффициент усиления по току транзистора 2 (hFE t2) в среднем 50. Тогда

Суммарный коэффициент усиления по току (общий hFE) = 800 * 50 = 40 000

Этого достаточно, чтобы поднять миллиамперные токи до уровня ампер.

Защита от короткого замыкания

Для защиты от короткого замыкания переключающий транзистор BC547 (обозначенный на схемах как Q3) и сопротивление, обозначенное на схемах как R2, соединены последовательно перед выходом цепи.

Проверка и меры предосторожности – 

При сборке схемы следует соблюдать следующие меры предосторожности –

• Номинальный ток трансформатора, мостового выпрямителя и транзистора должен быть больше или равен требуемому выходному току. Только тогда схема сможет обеспечить достаточный ток на выходе.

• Номинальное напряжение понижающего трансформатора должно превышать максимальное требуемое выходное напряжение. Это связано с тем, что в цепи возникает падение напряжения из-за некоторых резистивных потерь. Таким образом, входное напряжение от трансформатора должно быть на 2-3 В больше, чем максимальное выходное напряжение.

• Конденсатор C1 на выходе выпрямителя используется для подавления сетевых помех и пульсаций.

• Конденсатор C2 на выходных клеммах силовой цепи помогает справляться с быстрыми переходными процессами и шумами на выходной нагрузке. Значение этого конденсатора зависит от отклонения напряжения, изменений тока и переходного времени отклика используемого конденсатора.

• Конденсаторы, используемые в цепи, должны иметь более высокое номинальное напряжение, чем входное напряжение. В противном случае конденсатор начнет пропускать ток из-за избыточного напряжения на своих обкладках и лопнет.

• Используемые в схеме стабилитроны должны иметь мощность 1 Вт, в противном случае они могут выйти из строя из-за нагрева.

• По мере увеличения потребляемого тока на выходной нагрузке транзистор 2N3055 начинает нагреваться. Чтобы решить эту проблему, необходимо установить соответствующий радиатор для рассеивания избыточного тепла. В противном случае транзистор может сгореть.

• Поскольку схема рассчитана на максимальный ток 2 А на выходе, к выходу двухполупериодного выпрямителя следует подключить предохранитель на 2 А. Этот предохранитель не позволит цепи потреблять ток более 2А. При токе, потребляемом выше 2 А, сначала перегорает предохранитель, отключая входное питание от цепи.

Когда схема собрана, пришло время ее протестировать. Подключите цепь к сети и измените переменное сопротивление. Снимите показания напряжения и тока на выходной клемме силовой цепи с помощью мультиметра. Затем подключите фиксированные сопротивления в качестве нагрузки и снова проверьте показания напряжения и тока.

При тестировании без нагрузки выходное напряжение на регулируемом переменном сопротивлении изменялось на величину от 0,3 В до 30,3 В. Таким образом, при расчете погрешности получается следующий процент погрешности –

% Ошибка = (Экспериментальное значение – Ожидаемое значение)*100 /Ожидаемое значение

% Ошибка = (30,3 – 30)*100/30

% Ошибка = 1%

При подключении нагрузки к выходу максимум напряжение читается 30В. При нагрузке с сопротивлением 1 кОм выходное напряжение составляет 29,1 В, что соответствует падению напряжения на 0,9 В. Измеренный выходной ток составляет 29,1 мА, поэтому рассеиваемая мощность при нагрузке с сопротивлением 1 кОм выглядит следующим образом:

Pвых = Iвых*Iвых* R

Pвыход = 0,0291*0,0291*1000

Pout = 0,84 Вт

Если используется сопротивление нагрузки 470 Ом, то измеренное напряжение 28,9 В показывает падение напряжения 1,1 В, а измеренный ток составляет 61,4 мА. Таким образом, рассеиваемая мощность при нагрузке 470 Ом выглядит следующим образом:

Pвых = Iвых*Iвых*R

Pвых = 0,0614*0,0614*470

Pвых = 1,7 Вт

Эту схему можно использовать в качестве адаптера питания для питания широкий спектр электронных приложений, таких как радиовещание, цифровые камеры, принтеры, ноутбуки и другие портативные электронные устройства. Его также можно использовать в качестве регулируемого источника постоянного тока для электронных устройств.