Zmogljivo napajanje s tokovno zaščito

Vsaka oseba, ki zbira elektronska vezja, potrebuje univerzalni vir napajanja, ki omogoča široko variacijo izhodne napetosti, krmiljenje toka in po potrebi odklopi napajalno napravo. V trgovinah so tovrstni laboratorijski napajalniki zelo dragi, vendar jih lahko sami sestavite iz običajnih radijskih komponent. Predstavljeno napajanje vključuje:

• Regulacija napetosti do 24 voltov;
• Največji tok, ki je obremenjen, je do 5 amperov;
• Trenutna zaščita z izbiro več fiksnih vrednosti;
• Aktivno hlajenje za delovanje pri velikih tokovih;
• Številčni kazalniki toka in napetosti;

Vezje regulatorja napetosti

Najenostavnejša in najbolj dostopna različica regulatorja napetosti je vezje na posebnem čipu, imenovanem regulator napetosti. Najprimernejša možnost je LM338, zagotavlja največji tok 5 A in najmanj valovanje na izhodu. Tu sta primerna tudi LM350 in LM317, vendar bo v tem primeru največji tok 3 A oziroma 1,5 A. Spremenljiv upor služi za nastavitev napetosti, njegova ocena pa je odvisna od največje napetosti, ki jo potrebujete na izhodu. Če največji izhod zahteva 24 voltov, potrebujete spremenljiv upor z odpornostjo 4,3 kOhm. V tem primeru morate vzeti standardni potenciometer pri 4,7 kOhm in vzporedno z njim povezati konstanto na 47 kOhm, skupni upor bo približno 4,3 kOhm. Za napajanje celotnega vezja potrebujete enosmerni vir z napetostjo 24-35 voltov, v mojem primeru gre za običajen transformator z vgrajenim usmernikom. Uporabite lahko tudi polnilnike za prenosnike ali druge različne vklopne stike, primerne za tok.
Ta regulator napetosti je linearen, kar pomeni, da celotna razlika med vhodno in izhodno napetostjo pade na en čip in se na njem razprši v obliki toplote. Pri velikih tokovih je to zelo kritično, zato mora biti mikro vezje nameščeno na velikem radiatorju, najbolje je za to radiator iz računalniškega procesorja, ki deluje v tandemu z ventilatorjem. Da se ventilator ne bi ves čas vrtel, ampak se vklopil šele, ko se ogreva radiator, je potrebno sestaviti majhen temperaturni senzor.

Krmilni tokokrog ventilatorja

Temelji na NTC termistorju, katerega upornost se spreminja glede na temperaturo - z naraščajočo temperaturo se upornost znatno zmanjša in obratno. Operacijski ojačevalnik deluje kot primerjevalec in beleži spremembo upora termistorja. Ko je prag dosežen, se napetost pojavi na izhodu ojačevalnika, tranzistor se sprosti in zažene ventilator, s katerim sveti LED. Za nastavitev praga se uporablja obrezovalni upor, njegovo vrednost je treba izbrati na podlagi upora termistorja pri sobni temperaturi. Recimo, da ima termistor odpornost 100 kOhm, v tem primeru naj bi imel uporni upor nazivno vrednost približno 150-200 kOhm. Glavna prednost te sheme je prisotnost histereze, tj. razlike med pragovi za vklop in izklop ventilatorja. Zaradi histereze se ventilator ne vključi in izklopi pogosto pri temperaturi blizu praga. Termistor je prikazan na ožičenju neposredno do radiatorja in nameščen na katerem koli priročnem mestu.
Trenutni zaščitni tokokrog
Morda je najpomembnejši del celotnega napajanja trenutna zaščita. Deluje na naslednji način: padec napetosti čez shunt (upor z upornostjo 0,1 Ohm) se poveča na raven 7-9 voltov in ga primerjamo s referenčno s primerjalnikom. Referenčno napetost za primerjavo nastavimo s štirimi nastavitvenimi upori v območju od nič do 12 voltov, vhod operacijskega ojačevalnika je povezan z uporom preko 4-mestnega ključa. Tako lahko s spreminjanjem položaja stikala za piškote izbiramo med 4 vnaprej določenimi možnostmi zaščitnih tokov. Na primer, lahko nastavite naslednje vrednosti: 100 mA, 500 mA, 1,5 A, 3 A. Če je presežen tok, ki ga nastavite s klicnim stikalom, bo zaščita delovala, napetost ne bo več izšla in lučka LED zasveti. Za ponastavitev zaščite le na kratko pritisnite gumb, izhodna napetost se bo spet prikazala. Peti uporni upor je potreben za nastavitev ojačanja (občutljivosti), mora biti nastavljen tako, da je bila napetost na izhodu ojačevalnika, ko je tok skozi shunt 1 Ampere znašala približno 1-2 voltov. Upor za nastavitev zaščitne histereze je odgovoren za "ostrino" zaskoka vezja, ga je treba prilagoditi, če izhodna napetost ne izgine v celoti. To vezje je dobro, ker ima visoko odzivno hitrost in pri vklopu zaščite ob prekoračenju toka.

Enota za tok in napetost

Večina laboratorijskih napajalnikov je opremljena z digitalnimi voltmetri in ampermetri, ki prikazujejo vrednosti v obliki številk na tabeli. Ta možnost je kompaktna in omogoča dobro natančnost odčitkov, vendar je popolnoma neprijetna za zaznavanje. Zato se je za navajanje odločilo, da bodo uporabljene puščice, katerih odčitki so zaznavni zlahka in prijetno. V primeru voltmetra je vse preprosto - priključi se na izhodne sponke napajalnika skozi obrezovalni upor z uporom približno 1-2 MOhm. Za pravilno delovanje ampermetra je potreben ojačevalnik shunt, katerega vezje je prikazano spodaj.
Za nastavitev ojačanja je potreben uporni upor, v večini primerov je dovolj, da ga pustite v srednjem položaju (približno 20-25 kOhm). Stikalna glava je povezana s klicnim stikalom, s katerim lahko izberete enega od treh nastavitvenih uporov, s katerimi je nastavljen tok največjega odklona ampermetra. Tako lahko ampermeter deluje v treh območjih - do 50 mA, do 500 mA, do 5A, to zagotavlja največjo natančnost odčitkov pri katerem koli obremenitvenem toku.

Sklop plošče za napajanje

Tiskana vezja:
Zdaj, ko so upoštevani vsi teoretični vidiki, lahko začnemo sestavljati elektronski del strukture. Vsi elementi napajalnika - napetostni regulator, senzor temperature radiatorja, zaščitna enota, ojačevalnik shunt za ampermeter so sestavljeni na eni plošči, katere dimenzije so 100x70 mm. Plošča je izdelana po metodi LUT, spodaj je nekaj fotografij postopka izdelave.
Poti moči, vzdolž katerih teče tok tovora, je zaželeno, da se kosita z debelo plastjo spajke, da se zmanjša upor. Najprej so na plošči nameščeni majhni deli.
Po tem so vse ostale komponente. Mikro vezje 78L12, ki napaja temperaturni senzor in hladilnik, mora biti nameščeno na majhnem radiatorju, ki je na tiskanem vezju. Na koncu so žice spajkane na ploščo, na kateri se oddajajo ventilator, termistor, gumb za ponastavitev zaščite, ključi za ključe, LED, čip LM338, napetostni vhod in izhod. Vhod napetosti je najprimerneje priključen prek enosmernega konektorja, vendar moramo upoštevati, da mora zagotavljati velik tok. Uporabiti je treba vse napajalne žice, ki ustrezajo trenutnemu prerezu, po možnosti bakreni. Poleg tega izhod iz tiskanega vezja ne gre neposredno na izhodne sponke, temveč prek stikalnega stikala z dvema skupinama kontaktov. Druga skupina vklopi in izklopi LED, kar kaže, ali se na sponke uporablja napetost.

Sestavljanje telesa

Ohišje je mogoče pripraviti ali sestaviti neodvisno. Izdelate jo lahko na primer iz vezanega lesa in vlaknene plošče, kot sem jo naredil jaz. Najprej je izrezana pravokotna sprednja plošča, na kateri bodo nameščene vse kontrole.
Nato so izdelane stene in dno škatle, struktura je pritrjena skupaj s samoreznimi vijaki. Ko je okvir pripravljen, lahko v notranjost namestite vso elektroniko.
Krmilniki, puščice, LED diode so nameščeni na svojih mestih na sprednji plošči, plošča je nameščena znotraj ohišja, radiator z ventilatorjem je nameščen na zadnji plošči. Za pritrditev LED diod se uporabljajo posebna držala. Zaželeno je podvojiti izhodne sponke, še posebej, ker kraj to omogoča. Dimenzije ohišja so 290x200x120 mm, v ohišju je še vedno veliko prostega prostora, nanj pa je lahko nameščen na primer transformator za napajanje celotne naprave.

Prilagoditev

Kljub številnim nastavitvenim uporom je nastavitev napajanja dokaj enostavna. Najprej umerite voltmeter s priključitvijo zunanjega na izhodne sponke. Z vrtenjem nastavitvenega upora, zaporedno povezanega s puščico voltmetra, dosežemo enake odčitke. Nato z ampermetrom povežemo poljuben tovor in kalibriramo ojačevalnik shunt. Z vrtenjem vsakega in treh interlinearnih uporov dosežemo sovpadanje odčitkov na vsakem od treh merilnih območij ampermetra - v mojem primeru je to 50 mA, 500 mA in 5A. Nato s pomočjo štirih nastavitvenih uporov nastavimo potrebne zaščitne tokove. To ni težko storiti, glede na to, da je standardni ampermeter že umerjen in kaže točen tok. Postopoma povečujemo napetost (narašča tudi tok) in pogledamo tok, pri katerem se zaščita sproži. Nato zavrtimo vsak upor in nastavimo štiri potrebne zaščitne tokove, med katerimi lahko preklopite s pomočjo klicnega stikala. Zdaj ostane le nastaviti želeni prag za senzor temperature radiatorja - nastavitev je končana.