Zasilacz laboratoryjny 0-30 V można zbudować na transformatorze, mostku prostowniczym, kondensatorze filtrującym oraz stabilizatorze napięcia, na przykład LM317 z tranzystorem mocy. Schemat powinien uwzględniać potencjometr regulacji, amperomierz, woltomierz, bezpiecznik i radiator. Podczas montażu zachowaj właściwą polaryzację, solidne połączenia oraz bezpieczną izolację. Przed uruchomieniem dokładnie sprawdź układ i napięcia wyjściowe.
Projekt zasilacza laboratoryjnego 0-30 V wymaga jednoczesnego uwzględnienia napięcia wyjściowego, maksymalnego prądu, tętnień oraz strat cieplnych. Układ przeznaczony do prac serwisowych i prototypowania powinien zapewniać płynną regulację, ograniczenie prądowe, zabezpieczenie przed zwarciem i stabilną pracę przy zmiennym obciążeniu. Najczęściej stosuje się konstrukcję liniową: transformator sieciowy obniża napięcie, mostek prostowniczy je konwertuje, kondensator filtruje, a tranzystor szeregowy reguluje wartość wyjściową. Poniższe założenia dotyczą zasilacza o napięciu 0-30 V i prądzie około 2 A, przeznaczonego dla elektronika budującego własne stanowisko pomiarowe.
Tor zasilania i elementy regulacyjne
Dla uzyskania pełnych 30 V pod obciążeniem odpowiedni będzie transformator 26-28 V AC o mocy 100-120 VA.
Napięcie po prostowaniu osiąga około 36-38 V bez obciążenia, dlatego kondensatory elektrolityczne powinny mieć napięcie znamionowe minimum 50 V. Zbyt niskie napięcie wtórne ograniczy zakres regulacji, szczególnie przy spadku napięcia w transformatorze i tętnieniach.
Najważniejsze elementy schematu:
- transformator 230 V/28 V AC, 100-120 VA,
- mostek prostowniczy 6-10 A, z radiatorem lub odpowiednim zapasem termicznym,
- kondensator filtrujący 6800-10 000 µF/50 V,
- tranzystor mocy NPN, na przykład 2N3055, TIP3055 albo parę tranzystorów równolegle,
- wzmacniacz operacyjny zasilany z napięcia pomocniczego, np. LM358 lub lepszy układ rail-to-rail,
- precyzyjne źródło odniesienia 2,5-5 V oraz potencjometr wieloobrotowy,
- rezystor pomiarowy prądu, tranzystor ogranicznika i bezpiecznik na wejściu.
| Element | Funkcja | Zalecany dobór | Skutek złego wyboru |
|---|---|---|---|
| Transformator | Obniżenie napięcia | 26-28 V AC, 100-120 VA | Brak 30 V lub przegrzewanie |
| Mostek | Prostowanie pełnookresowe | 6-10 A, ≥100 V | Nadmierne grzanie i spadki |
| Kondensator | Magazynowanie energii | 6800-10 000 µF, 50 V | Duże tętnienia |
| Tranzystor szeregowy | Regulacja napięcia | SOA dopasowana do strat | Uszkodzenie przy zwarciu |
| Rezystor bocznikowy | Pomiar prądu | 0,1-0,33 Ω, odpowiednia moc | Niedokładne ograniczenie |
Regulację napięcia realizuje wzmacniacz operacyjny porównujący napięcie z dzielnika wyjściowego z napięciem referencyjnym. Potencjometr powinien znajdować się w gałęzi sprzężenia zwrotnego, a rezystor ograniczający zakres zabezpieczać przed przekroczeniem 30 V. Aby uzyskać rzeczywiste 0 V, potrzebna jest topologia pozwalająca zejść wzmacniaczowi do potencjału masy; najczęściej pomaga niewielkie napięcie ujemne, np. -3 do -5 V, albo odpowiednio zaprojektowany stopień wyjściowy.
Straty cieplne i zabezpieczenia
Największym problemem zasilacza liniowego jest moc tracona na tranzystorze.
Przy 35 V na wejściu, 5 V na wyjściu i prądzie 2 A wydzieli się około 60 W, dlatego konieczny jest duży radiator, pasta termoprzewodząca i kontrola temperatury. Przy większym prądzie korzystniej zastosować parę tranzystorów z rezystorami emiterowymi 0,1-0,22 Ω. Ogranicznik prądowy powinien reagować na spadek napięcia na rezystorze pomiarowym i płynnie zmniejszać sterowanie tranzystora. Uzupełniają go bezpiecznik, dioda zabezpieczająca przed napięciem wstecznym oraz termostat odłączający stopień mocy po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury.
Część sieciowa musi być odseparowana, uziemiona i zamknięta w obudowie o właściwej klasie bezpieczeństwa.
Topologia układu regulacji 0-30 V
Najpraktyczniejszy zasilacz liniowy składa się z transformatora bezpieczeństwa, mostka prostowniczego, kondensatora filtrującego, tranzystora szeregowego oraz wzmacniacza operacyjnego sterującego napięciem wyjściowym. Dla zakresu 0-30 V typowym wyborem jest transformator 230/24 V AC o mocy 160-250 VA. Po wyprostowaniu napięcie osiąga około 34 V DC bez obciążenia, a pod obciążeniem spada do wartości dającej zapas dla stopnia regulacyjnego. Mostek powinien mieć prąd znamionowy co najmniej 8-10 A i napięcie wsteczne minimum 100 V. Za nim montuje się kondensator 6800-10 000 µF na 50 V. Przy większym prądzie można zastosować parę kondensatorów równolegle, dodając rezystory wyrównawcze lub zadbać o ich identyczne parametry.
Tętnienia po prostowaniu dwupołówkowym można oszacować ze wzoru ΔU ≈ I/(2fC); przy 5 A i 10 000 µF wynoszą około 5 V. Regulator powinien wykorzystywać tranzystor mocy 2N3055, TIP35C albo parę tranzystorów połączonych równolegle.
Każdy tranzystor wymaga rezystora emiterowego 0,1-0,22 Ω, który poprawia podział prądu. Wzmacniacz operacyjny porównuje napięcie z dzielnika wyjściowego z napięciem odniesienia, na przykład 2,5 V z układu TL431. Potencjometr wieloobrotowy 10 kΩ umożliwia precyzyjną regulację, a drugi potencjometr ustala próg ograniczenia prądowego.
Uzyskanie dokładnie 0 V wymaga ujemnego napięcia pomocniczego, najczęściej −5 V. Bez tej szyny regulator pozostaje parę dziesiątych wolta powyżej zera, zależnie od napięcia nasycenia wzmacniacza operacyjnego i tranzystora sterującego.
Jaki transformator zapewni zapas napięcia?
Transformator 24 V AC jest rozsądnym kompromisem, lecz jego napięcie nie może być zbyt niskie. Po uwzględnieniu spadku na mostku, tętnień i minimalnego napięcia kolektor-emiter tranzystora należy zapewnić około 3-5 V zapasu przy pełnym obciążeniu. Uzwojenie 20 V może ograniczać osiąganie 30 V, jednak 28 V zwiększa straty cieplne i ryzyko przekroczenia dopuszczalnego napięcia układu sterującego.
Ile ciepła musi odprowadzić stopień mocy?
Największe obciążenie cieplne występuje przy małym napięciu wyjściowym i dużym prądzie.
Dla przykładu, przy 32 V na kolektorze, 5 V na wyjściu i prądzie 3 A tranzystor rozprasza około 81 W. Potrzebny jest radiator o rezystancji termicznej poniżej 1°C/W, często wspomagany wentylatorem. Tranzystor należy odizolować od radiatora podkładką mikową lub silikonową, ponieważ jego obudowa może być elektrycznie połączona z kolektorem. Układ powinien zawierać bezpiecznik po stronie sieciowej i wtórnej, termik radiatora, rezystor rozładowujący kondensator oraz diodę zabezpieczającą tranzystor przed napięciem zwrotnym. Pomiar prądu realizuje się najczęściej na rezystorze 0,1 Ω; przy 3 A wydziela on 0,9 W, dlatego należy zastosować element co najmniej 3-watowy.
Do kontroli parametrów wyjściowych pasuje woltomierz i amperomierz panelowy zasilane z osobnej, stabilizowanej gałęzi. Podczas montażu zasilacza laboratoryjnego 0-30 V trzeba równocześnie kontrolować temperaturę, prądy zwarciowe i bezpieczeństwo pracy z siecią.
Chłodzenie zasilacza laboratoryjnego 0-30 V w czasie montażu
Najwięcej ciepła w konstrukcji liniowej powstaje na tranzystorach szeregowych, mostku prostowniczym i stabilizatorze. Strata mocy wynosi w przybliżeniu \(P=(U_{we}-U_{wy})\times I\).
Przy dużym napięciu wejściowym, niskim napięciu wyjściowym i obciążeniu kilku amperów radiator może rozpraszać dziesiątki watów. Należy dobrać go na podstawie rezystancji termicznej, a nie wyłącznie wymiarów. Radiator powinien mieć swobodny przepływ powietrza, dlatego nie wolno umieszczać go przy transformatorze ani zasłaniać otworów wentylacyjnych. Przy większej mocy stosuje się wentylator sterowany termostatem lub pomiarem temperatury. Czujnik należy zamocować przy najcieplejszym elemencie, używając izolowanej podkładki, jeśli wymaga tego konstrukcja tranzystora.
Temperatura obudowy elementu półprzewodnikowego nie może przekraczać wartości dopuszczonej przez producenta. Podczas montażu zasilacz powinien być uruchamiany etapami, z ograniczeniem prądu pobieranego z sieci i żarówką szeregową albo autotransformatorem separacyjnym.
Kondensatory filtrujące trzeba rozładować rezystorem o odpowiedniej mocy, a nie przypadkowym zwarciem przewodów.
Zabezpieczenia należy przewidzieć podobnie jak dla układui użytkownika:
- bezpiecznik sieciowy dobrany do mocy transformatora,
- bezpiecznik lub ogranicznik prądu na wyjściu,
- zabezpieczenie nadnapięciowe wyjścia,
- ochrona przed zwarciem zacisków,
- zabezpieczenie termiczne radiatora,
- blokada odwrotnej polaryzacji,
- uziemienie ochronne metalowej obudowy.
Przewody sieciowe należy prowadzić oddzielnie od torów pomiarowych i wyjściowych. Połączenia wysokoprądowe powinny być krótkie, mechanicznie stabilne i zakończone tulejkami lub solidnym lutem. Ograniczenie prądu nie zastępuje bezpiecznika, ponieważ nie każda awaria układu sterującego uruchomi aktywną ochronę. Przed zamknięciem obudowy trzeba sprawdzić izolację, ciągłość przewodu ochronnego oraz działanie odcięcia termicznego.
Dobór radiatora do zasilacza laboratoryjnego 0-30 V zaczyna się od określenia maksymalnej mocy traconej w tranzystorze szeregowym. W klasycznym zasilaczu liniowym napięcie wejściowe stopnia regulacyjnego pochodzi z prostownika i kondensatora filtrującego, dlatego może wynosić około 38-45 V DC, mimo że wyjście ustawiono na 30 V.
Dla napięcia 40 V, wyjścia 5 V i prądu 3 A tranzystor musi rozproszyć 105 W. To niski zakres napięcia wyjściowego przy dużym obciążeniu jest najczęściej najtrudniejszym punktem pracy, a nie obciążenie 30 V.
Maksymalną temperaturę złącza należy ograniczyć zgodnie z kartą katalogową tranzystora, często do 125-150°C, jednak konstrukcja laboratoryjna powinna zakładać niższą wartość, na przykład 100-120°C. Uwzględnia ona temperaturę otoczenia, opór cieplny złącze-obudowa oraz warstwę izolacyjną między tranzystorem a radiatorem.
Jak dobrać radiator do zasilacza laboratoryjnego 0-30 V?
Dla 105 W, temperatury otoczenia 35°C i założonej temperatury złącza 120°C całkowity dopuszczalny opór cieplny wynosi około 0,81°C/W.
Po odjęciu 0,3°C/W dla tranzystora i 0,2°C/W dla podkładki izolacyjnej radiator powinien mieć najwyżej około 0,3°C/W. Należy zostawić zapas, ponieważ dane katalogowe radiatorów często dotyczą wymuszonego przepływu powietrza.
Czy jeden tranzystor wystarczy przy dużej mocy strat?
Przy stratach przekraczających 70-100 W rozsądne jest zastosowanie kilku tranzystorów równolegle, na przykład 2-4 elementów 2N3055, MJ15003 lub faktycznych tranzystorów mocy. Każdy powinien mieć rezystor emiterowy 0,1-0,33 Ω, który pomaga wyrównać prądy. Radiator musi odprowadzić sumaryczną moc, a nie moc pojedynczego tranzystora. Często dobór radiatora do zasilacza laboratoryjnego 0-30 V wymaga analizy najgorszego punktu pracy, sprawdzenia obszaru bezpiecznej pracy tranzystorów oraz zastosowania zabezpieczenia termicznego.
Przy mocy rzędu 100 W potrzebny jest duży radiator żebrowany albo chłodzenie wentylatorem sterowanym temperaturą. Podkładka mikowa lub silikonowa, tulejka izolacyjna i pasta termoprzewodząca muszą zapewniać podobnie jak izolację elektrycznąi niski opór cieplny.
Zbyt mały radiator spowoduje zadziałanie ograniczenia termicznego, dryft napięcia, a w skrajnym przypadku uszkodzenie tranzystorów.
