Доработка лабораторного блока питания

Однажды, году в 2009, приобрел себе блок питания. Китайский. Стоил он 580 рублей. Блок был рассчитан на 15 вольт и ток от 0.6 до 2 ампер. Параметры меня не устроили сразу, дабы покупал под переделку, ради корпуса и индикации. Параметры блока были таковы, что регулировка тока в нем заключалась не в стабилизации оного (например берем выход и коротим его, а ручкой тока выставляем ток КЗ.), а триггерной защиты: то есть выставим например защиту на 1А и если потребитель жрал более 1Ампера, то блок уходил в защиту и обрубал выход. Это не серьезно, т.к. мне нужна была именно плавно регулируемая стабилизация тока без ухода в защиту.
Что решил сделать:
Конечно же поменять начинку. Куда ж без этого.
Задача была из обыденного, повседневного хлама сделать бюджетный регулируемый источник от 0 до 24 вольт. В реале получилось от 0.7 до 24 вольт (далее расскажу почему.) и стабилизация тока от 0 до 10 Ампер.
За основу "проекта" был взят обычный компьютерный ATX блок питания. Их у меня было где-то с десяток.
Но были среди них дикий китай, где вместо различных элементов были тупо впаяны перемычки (дроссели, фильтры) экономия типа, да и по силовой части там был полный ализ-гидрализ… К таким даже руки прикладывать не было желания. Были и нормальные.
Для начала нужно было выбрать самый качественный из них. На подопытного пошел брендовый 250 ваттный старенький ATX блок, с добротными силовыми ключами 2SC2325 (toshiba). Ну и естессно со всеми элементами в наличии.
Все компьютерные блоки такого "класса" собраны практически всегда по одной схемотехнике: Импульсный источник питания с обратной связью с 2 плечами ключей системы "Push-pull" тяни-толкай, с гальванической развязкой по управлению согласующим трансформатором. Контроллер ШИМ в них всегда классическая TL494 (или KA7500, полный аналог), имеющая на борту 2 усилителя ошибки, для отслеживания и стабилизации от просадок выходного напряжения. Типа следит что на выходе, и если напряжение проседает под нагрузкой- она поддает гари на эти самые ключи и напряжение выравнивается (гарь в данном случае ширина (длительность) имульса на первичке импульсного трансформатора. Шире импульс- больше выходное напряжение. Короче импульс- напряжение на выходе ниже.Это и есть принцип ШИМ).
Так же ШИМ используется в кач-ве "плавной" подсветки в салоне авто. Вообще это гениальная штука. За ШИМом будущее))
В чем плюс импульсных источников питания (ИИП): конечно высокий КПД. Легко регулировать выходное напряжение, достаточно менять ширину импульса на трансформаторе. Они доступны и малогабаритны. Ключевые транзисторы работают в ключевом режиме: полного открытия (низкое сопротивление перехода "вкл"), либо полного закрытия (высокое сопротивление перехода "выкл"). По сравнению с линейными стабилизаторами (или усилители класса А, АВ и пр): например, где транзистор в полуоткрытом состоянии, он имеет сопротивление, на котором идет рассеивание мощности и происходит нагрев, в ШИМе же как таковой эффект отсутствует (кстати усилитель D-класса (а-ля digital) как раз на ШИМе и построен, от того высокая мощность, и низкое тепловыделение = высокий КПД).
Минусы этих ИИП- много помех, т.к. рабочая частота преобразования

60кГц, то мы имеем на выходе ВЧ наводки, с которыми довольно сложно бороться, но можно, при помощи индуктивностей и керамических кондеров. (Поэтому звукотехника высших классов имеет на борту классический тяжелый и громоздкий трансформаторный БП.) В большинстве вариантов- если КЗ на выходе и ток у нас не отслеживается- БП идет в разнос и выгорают оба силовых ключа. В выбранном БП как раз это без защиты и я попалил несколько пар ключевых транзисторов пока находил пути регулировки тока и напряжения. И вот, в один прекрасный момент настал тот час, когда все стало стабильно и ничего не сгорало.
Сильно в подробности углубляться не буду, там много писанины, и будет лучше, по мере вопросов отвечать на них.
Из основного опишу: выбрасывание из схемы дросселя групповой стабилизации. Напряжение будем снимать по линии бывших +12 вольт. Это значит что все остальные линии напряжений мы просто отключим, выпаяв из них диоды выпрямителей (3.3в, +5, -5, -12 и пр) они не нужны и будут плавать вместе с основным напряжением. Меняем кондеры по выходу на более высоковольтные. Например электролит 50v 1500мкФ, что б штатный не жахнул (он 16 вольт всего).

Далее смотрим даташит ШИМ контроллера TL494 (KA7500) (далее "494я"). Из него видно, что как ранее говорилось- микра имеет 2 усилителя ошибки, которыми она смотрит выходное напряжение БП и если что не так- добавляет гари на ключи или наоборот, сбавляет ее. Это называется обратная связь (залог стабильности напряжений).
В штате использован только один усилитель. Второй посажен на землю. Запломбирован тоесть) Т.к. за током БП в компе не смотрит.
Вот как раз второй усь и будем использовать для отслежки тока в цепи. А первый так и останется следить за напряжением. Для этого собираем простейший резисторный делитель, на который вешаем переменник. Им как раз и будем регулировать входное напряжение на усилитель 494й (грубо говоря говорить микросхеме что делать.)
Например нужно нам на выходе БП 5 вольт. Крутим резистор в большее сопротивление. Напряжение на усилителе повышается. Микросхема запалила повышение напряжения на усилителе. Взяла и уменьшила длительность импульса на ключах. тут то напряжение и снижается на выходе самого БП. . Так же и наоборот.
С током так же. Ток меряется по принципу падения напряжения на низкоомном (0.05ом) токоизмерительном шунте (резисторе) через который у нас подключена "-" клемма на передней панели . Больше ток через резистор- больше напряжение на нем. Это напряжение и отслеживает 494я своим вторым "распломбированным" усилителем и отсекает (обрубает) ШИМ при превышении заданного порога. Регулируем его так же как и напряжение на выходе.
Почему не от 0, а от 0.7 вольт:
Так как мы играемся ШИРИНОЙ (длительностью) импульса- мы не можем полностью эти импульсы убрать. Если убирать- то это срыв генерации, и БП начинает вести себя неадекватно: писки, шелчки и пр прелести. Это происходит потому что 494я пытается запустить генерацию, но слишком высокое напряжение на входе усилителя не позволяет ей этого сделать, и она снова срывает генерацию и так циклично. Поэтому резисторным делителем напряжения на входе 494й добиваемся самой короткой длительности импульсов, при которых еще сохраняется стабильная работа 494й. Эта минимальная длительность и есть наши минимальные 0.7 вольта.
Ну теперь фото чо как)
Вот родные внутренности этой поделки дядюшки Ляо. Вытряхаем это.

Будем ставить это. Уже переделанное и готовое к употреблению. только чуть допилить регулировкой.

Сегодня рынок насыщен разнообразными лабораторными БП китайского производства самых различных модификаций, с различными параметрами и эксплуатационным сервисом. Однако стоимость моделей с привлекательными параметрами и возможностями довольно высока и многие радиолюбители предпочитают изготовление подобных устройств своими руками, которые зачастую выглядят и работают не хуже промышленных образцов аналогичного класса, а обходятся в изготовлении гораздо дешевле. Но одно дело – разработать и собрать электронный блок, другое – изготовить корпус с приличным дизайном, что требует определенных временных затрат, опыта и мастерства при производстве механических работ. Есть и компромиссный вариант – заказ изготовления корпуса, либо приобретение подходящей "коробки" в розничной продаже. Но лично меня не устроил ни первый, ни второй из вариантов: на первый – нет времени и места для возни с напильником, второй так же отпадает из-за дороговизны (как на заказ, так и в розницу) корпусов приемлемого качества и необходимого дизайна. Наиболее привлекательным оказался третий вариант, – покупка бюджетного экземпляра лабораторного БП в одном из интернет-магазинов с целью его доработки до уровня устройства с необходимыми для моих потребностей параметрами. Таким экземпляром оказался ЛБП с названием YG-1502DD (рис.1).

Рис.1 Передняя панель бюджетного ЛБП

Рис.2 Начинка YG-1502DD

Параметры этого ЛБП пропечатаны в названии: выходное напряжение – от 0 до 15В, выходной ток – до 2А. Сервисные функции: 1. регулировка срабатывания триггерной защиты при токе от 0,6 до 2А; 2. переключатель 5-ти фиксированных значений выходного напряжения. Из плюсов: 1. неплохой дизайн; 2. индикация выходных параметров (ток, напряжение); 3. неплохая базовая принципиальная схема, позволяющая произвести минимальное конструктивное вмешательство для доработки; 4. Невысокая совокупная цена за эти плюсы; 5. достаточно точная цифровая индикация тока и напряжения; 6. компактный корпус с достаточным для моих целей внутренним объемом. Все остальное – минусы: 1. маломощный понижающий трансформатор, "проваливающий" напряжение на выходе ЛБП при параметрах, близким к максимальным; 2. контроллер платы индикации прошит таким образом, что индикация амперметра застывает на отметке 2,55А при токе свыше этого значения, а индикация вольтметра "обнуляется" при уровне напряжения свыше 25,5В; 3. двухцветный светодиод "сопровождает" работу ЛБП красным свечением, срабатывание защиты "приветствует" зеленым; 4. позиционные обозначения компонентов на плате ЛБП по большей части заменены обозначения номиналов; 5. "одноразовая" резьба винтовых соединений корпуса; 6. символическое охлаждение регулирующего транзистора; 7. тонкие соединительные проводники от платы к регулирующему транзистору, от платы к выходным клеммам, тонкие жилы сетевого кабеля. Все эти достоинства, равно, как и недостатки, присущи всем без исключения всем ЛБП, купленным мною единовременно (включая неправильную распайку двухцветного светодиода). Причем, судя по отзывам и обсуждениям на форумах об ЭТОМ и прочих ЛБП с надписью 1502 (не взирая на буквенный префикс), эти модели собраны из одного набора комплектующих и имеют лишь незначительные различия в дизайне и принципиальной схеме. Так что, о большинстве недостатков мне было известно заранее и меня это вполне устраивало.

Параметры и сервис, которые я хотел бы получить от доработанного YG-1502DD: 1. Возможность подачи достаточно высокого напряжения на вход ЛБП; 2. регулировку напряжения в диапазоне от 0 до 35-60В; 3. выходной ток до 5А; 4. малые пульсации в пределах перекрываемых диапазонов тока и напряжения; 5. регулировку ограничения тока от 0 до максимума; 6. регулируемую триггерную защиту по току; 7. защиту от перегрева.

Принципиальная схема, перерисованная автором с печатной платы YG-1502DD изображена на рис.3

Рис.3 Принципиальная схема YG-1502DD

Примечание. Принципиальная схема YG-1502DD ввиду отсутствия большей части позиционных обозначений на плате, заменена автором на собственные, обозначенные шрифтом красного цвета для удобства описания. Эти же обозначения присутствуют и на доработанной схеме, где и графические символы добавленных в схему компонентов имеют красный цвет.

"Ядром" схемы ЛБП является микросхема LM723 (U2 в схеме), выпускаемая с 1972г и хорошо зарекомендовавшая себя за длительное время существования своей универсальностью, надежностью и дешевизной. Начинка микросхемы содержит прецизионный источник опорного напряжения, усилитель ошибки, токовый ограничитель. Способна работать, благодаря встроенному стабилизатору питания, в диапазоне от 9,5 до 40В с выходным управляющим током до 150мА и предназначена для использования в регуляторах напряжения с током до 10А при входном напряжении до 40В и выходных 2-37В (при использовании рекомендаций и схем из официальной документации от производителя). В схеме YG-1502DD возможности микросхемы используются не полностью (не задействован токовый ограничитель), зато присутствует регулируемая триггерная защелка на транзисторах VT1, VT2 (различной структуры), запрещающая работу микросхемы U2 по выводу 13 (выход усилителя ошибки) через диод D11, запирая выходной транзистор микросхемы. Как следствие, прекращение тока в цепи R15, база-эмиттер VT4 (с запиранием этого транзистора), база-эмиттер мощного регулирующего транзистора VT5 (с запиранием транзистора), полное отсутствие напряжения на выходе ЛБП (+Out). Защелка в свою очередь управляется парой операционных усилителей микросхемы U3, первый из которых (U3.2) отслеживает напряжение на датчике тока (резистор R18), усиливает его, подавая собственное выходное напряжение на вход амперметра и на вход второго ОУ (U3.1), управляющего непосредственно защелкой с помощью регулятора (R30), изменяющего уровень опорного напряжения на инвертирущем входе этого ОУ. С помощью триммера R28 подбирается диапазон регулировки срабатывания защелки. Срабатывание защелки индицируется светодиодом HL1.1 (красный). При этом светодиод HL1.2 (зеленый) шунтируется сопротивлениями открытых переходов транзисторов защелки, резистором R17 и светодиодом HL1.1. Суммы падения напряжений на этой цепи недостаточно для возникновения тока свечения зеленого светодиода из-за относительно большого значения резистора R2, ограничивающего ток свечения HL1.2. Благодаря подобранным номиналам резисторов R35-R39, показания амперметра (являющимся на самом деле без совокупности с парой ОУ – вольтметром) численно равны значению тока нагрузки. На прямой вход усилителя ошибки (вывод 5) микросхемы U2 подается регулируемое напряжение с дополнительного источника опорного напряжения (+5В), выполненного на регулируемом стабилитроне TL431 (VZ1). Запитан VZ1 от встроенного в U2 источника опорного напряжения (+7,2В). Для чего это сделано не очень-то и понятно, т.к. встроенные в микросхему ИОН – вполне самодостаточен. При крайнем "правом" положении переключателя (до упора по часовой стрелке) выбирается регулируемая по выходу от 0 до +15В функция ЛБП. При этом для вывода 5 U2 актуален делитель напряжения R54, R40 (плавный регулятор напряжения), R41 (грубый регулятор напряжения). Все предыдущие положения переключателя создают на выходе ЛБП фиксированные напряжения +1,5, +3,6В, +4,8В, +6В, +7,2В. Значения эти подбираются сопротивлениями резисторов R22-R31. Инверсный вход усилителя ошибки отслеживает выходное напряжение через делитель на резисторах R10, R13, R9. U2 запитана от выпрямителя D1 через диод D2 напряжением +24В. С этого же диода напряжение подается на коллектор регулирующего транзистора VT5. Интегральный стабилизатор L7812 (U1) является источником питания лишь для схемы защелки и ОУ U3 (LM358). Резистор R14 гасит возможную избыточную мощность на U1, работающей без радиатора практически без нагрева. Резистор R17 создает начальную нагрузку на выходе ЛБП. Вольтметр отображает значение выходного напряжения и вход его подключен в плюсовой выходной клемме через резистор R32, являющийся единственным подстроечным элементом для блока индикации. Сам блок индикации запитан переменным напряжением

10В от отдельной обмотки трансформатора. Таким образом, блок индикации практически развязан с любой из шин ЛБП и при необходимости с помощью коммутации блок индикации может быть использован и для внешних измерений.

Рис.4 Принципиальная схема доработанного YG-1502DD

Доработка. Схема доработанного ЛБП приведена на рис.4.

Внесенные в схему изменения и дополнения:

Вместо маломощного штатного трансформатора (мощность – не более 25Вт) был установлен тороидальный трансформатор мощностью 200Вт/2Х16,5В/5А.
Как уже отмечалось выше, доработанный ЛБП должен работать в диапазоне повышенных значений входных и выходных напряжений. Для этого в схему был введен дополнительный транзистор (VT3) в разрыв между R15 и базой транзистора VT4, а сопротивление резистора R15 было увеличено до 5,1кОм. При этом микросхема U2 своим питающим выводом (12) была подключена к выходу стабилизатора U1. Таким образом, питание микросхемы U2 составило +12В, что сделало ее работу совершенно безопасной независимо от величины входного напряжения (+In).
Интегральный стабилизатор U1 так же был отключен от входного напряжения и был подсоединен к средней точке "нового" трансформатора, напряжение на которой составляет половину (+23В) от полного выпрямленного напряжения (+46В) относительно минусового провода выпрямителя.
Диод D2 был удален за ненадобностью и заменен перемычкой.
В узел защелки на транзисторах VT1, VT2 так же были внесены минимальные изменения, расширяющие возможности ЛБП.
Фиксируемая кнопка, при замыкании контактами которой перехода база-эмиттер транзистора VT2 вводится режим ограничения тока, исключая открывание VT2 и, как следствие, режим защелкивания, разрешая плавную регулировку выходного тока;
R5 заменен номиналом 100кОм, а резистор R7 был заменен перемычкой, что позволило расширить диапазон регулировки тока от 1мА до максимального значения (в данном случае до максимума возможных показаний амперметра – 2,55А);
Удален конденсатор С3, приводивший ЛБП к релаксации в режиме ограничения тока (узел на VT1, VT2 переходил в режим генерации);
Был перепаян светодиод HL1, изначально неправильно распаянный;
Был удален диод D11, обеспечивающий управление выводом 13 U2 при срабатывании токовой защиты, а узел токовой защиты / ограничения стал управлять базой вновь введенного транзистора VT3, подключенной к эмиттеру VT2 (хотя это именно это изменение непринципиально и можно было бы его не вводить).
К выводу 13 U2 относительно минусового провода питания был подключен биметаллический термовыключатель с нормально разомкнутыми контактами и температурой срабатывания 70С о ;
В процессе изменения был так же удален узел коммутации фиксированных напряжений за ненадобностью, дополнительный ИОН на VZ1.
Резистор R54 для изменения диапазона выходных напряжений был зашунтирован резистором 3,3кОм.
Транзистор VT4 был заменен транзистором 2SA1023.
Имеющийся выпрямительный мост был удален с платы, а новый – вынесен за пределы платы и установлен на радиатор.
Это все, что касается изменений на плате. Мощный регулирующий транзистор (VT5) был заменен на пару транзисторов 2SD1047, включенных впараллель и установленных на общий с диодным мостом радиатор, который, в свою очередь, был прикручен к днищу металлического основания корпуса. На лицевую панель ЛБП были установлены 5 гнезд (вместо 3-х штатных "барашков"), на которые кроме выхода ЛБП ("+"/"-") были выведены выпрямленные входные напряжения "+23В"/"0"/"-23В".
В итоге, с параметрами ЛБП из-за неполноценной индикации пришлось пойти на некоторый компромисс:
Входное выпрямленное напряжение . +46В
Выходное напряжение – 0. +36В (индицируемое значение 0-25,5В)
Диапазон плавной регулировки составляет +/-30% от полного диапазона
Выходной ток с ограничением или триггерной отсечкой 1мА. 2,55А
Защита от перегрева
Измеренные пульсации 100Гц при токе 2,5А в диапазоне напряжений 10-36В – 5-12мВ