2131 Prosty zasilacz laboratoryjny.pdf

rojekty AVT

V VT

2131

Prosty

zasilacz laboratoryjny

Listy nadchodzące do redakcji

świadczą, że istnieje niesłabnące

zapotrzebowanie na przydatne

przyrządy laboratoryjne do pracowni

mniej i bardziej zaawansowanych

elektroników.

W drugim roku istnienia EdW

redakcyjne laboratorium

zaprezentuje kilka praktycznych

konstrukcji, przydatnych dla

szerokiego ogółu konstruktorów.

Podstawowym celem jest

przedstawienie urządzeń naprawdę

przydatnych, ale jednocześnie

możliwie prostych i tanich.

Początkiem serii jest przedstawiony

dalej zasilacz.

Każdy wie, że zasilacz jest jednym

z podstawowych przyrządów w laborato−

rium każdego elektronika, niemniej jed−

nak jest to sprzęt

często lekceważo−

ny, jako coś proste−

go i niegodnego

większej uwagi.

Praktyka pokazuje

jednak, że dobry za−

silacz znakomicie

ułatwia pracę, a je−

go wady i zalety da−

ją o sobie znać

w szczególności

przy pracach ekspe−

rymentalnych i przy

uruchomianiu

nowo zbudowa−

nych układów.

Opisany dalej zasilacz został opraco−

wany przez konstruktora, który przez lata

zdążył poznać potrzeby w tym zakresie.

Założenia konstrukcyjne

Praktyka wykazuje, że ogromna więk−

szość budowanych dziś układów elektro−

nicznych wymaga przy uruchomieniu za−

silacza o niewielkiej wydajności i napię−

ciu regulowanym od 1,5V do około 20V.

Napięcie wyjściowe zasilacza musi

być regulowane płynnie.

W zasadzie wydajność prądowa nie

musi być większa niż 100mA, bo nawet

układy dużej mocy (np. wzmacniacze

mocy audio) zazwyczaj nie wymagają

większego prądu przy pierwszym uru−

Uwaga! Wewnątrz urządzenia

występują napięcia stanowiące

śmiertelne zagrożenie

w przypadku porażenia.

Konstrukcja obudowy musi

zapewnić właściwy stopień

zabezpieczenia przed

porażeniem. Osoby niepełnolet−

nie winny wykonać opisane

urządzenie tylko pod nadzorem

wykwalifikowanych osób

dorosłych.

chomieniu − a potem i tak będą ostatecz−

nie sprawdzane z zasilaczem, z jakim

mają współpracować na stałe.

Bardzo pożąda−

ne jest obranicze−

nie prądowe, któ−

re w razie pomyłki

nie dopuści do

nadmiernego

wzrostu prądu

i zabezpieczy

przed uszkodze−

niem zasilanego

układu już przy je−

go pierwszym

włączeniu. Jest to

naprawdę ważne −

każdy elektronik

w napięciu,

z kroplami potu na

czole czeka, czy po włączeniu zasilania,

ze zbudowanego właśnie układu nie

zacznie wydobywać się dym, albo czy

nie pojawi się charakterystyczny swąd

rozgrzanych elementów. Niestety, częs−

to ten dym rzeczywiście się pojawia, co

zwykle oznacza nieodwracale uszkodze−

nie jakiegoś podzespołu. Obecność

w zasilaczu skutecznego, regulowanego

zabezpieczenia zdecydowanie zmniejsza

takie ryzyko. Niestety wykonanie proste−

go i praktycznego zabezpieczenia prądo−

wego o płynnie regulowanej wartości

wcale nie jest łatwe i tanie.

Na szczęście w praktyce wystarcza

zabezpieczenie o skokowo regulowa−

nym prądzie maksymalnym. W przedsta−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/97

rojekty A

Projekty A

Projekty A

rojekty AVT

V VT

Rys. 1. Schemat blokowy zasilacza.

całkowity zanik stabilizacji − badany układ

w przeczywistości jest zasilany napię−

ciem niestabilizowanym, o wartości

mniejszej, niż nastawiona. Aby wyelimi−

nować takie niebezpieczeństwo, profes−

jonalne zasilacze zawierają duże transfor−

matory, które nawet przy spadku napię−

cia sieci o 15% muszą dostarczyć prą−

dów i napięć, gwarantowanych w opisie

technicznym. W opisanym dalej zasila−

czu zastosowano inne rozwiązanie − brak

stabilizacji jest sygnalizowany dźwię−

kiem.

Opis układu

Przyjęte założenia doprowadziły do

powstania prostego układu, którego

uproszczony schemat blokowy pokazany

jest na rysunku 1

rysunku 1, a pełny schemat ideo−

wy − na rysunku 2

wionym zasilaczu można wybrać jeden

z dwóch zakresów prądowych, o prądzie

maksymalnym 100mA i 1A. W prosty

sposób można też wprowadzić trzeci za−

kres ogranicznika, o prądzie maksymal−

nym 10mA.

Wbrew pozorom, w zasilaczu wcale

nie jest niezbędna kontrola napięcia wy−

jściowego. Przy uruchomianiu układów

prawie nigdy nie jest konieczne ustawie−

nie napięcia z dokładnością lepszą niż

±1V. Do tego wystarczy skala przy po−

tencjometrze regulacji napięcia. W razie

potrzeby zawsze można dołączyć do wy−

jścia zewnętrzny woltomierz.

O wiele bardziej przydatny jest mier−

nik do pomiaru prądu wyjściowego.

Właśnie wielkość prądu zasilania jest

pierwszą ważną informacją o działaniu

dołączonego układu. Miernik prądu wca−

le nie musi być dokładny, bo jego zada−

niem jest pokazać rząd wielkości prądu,

a nie jego precyzyjną wartość. W opisa−

nym zasilaczu rolę miernika i wskaźnika

prądu pełni linijka zbudowana z dziesię−

ciu diod LED.

W zasilaczach budowanych przez

amatorów często daje o sobie znać pew−

na, można powiedzieć, niedoróbka. Cho−

dzi mianowicie o to, że przy wzroście po−

bieranego prądu obniża się napięcie

transformatora, czyli napięcie na wejściu

stabilizatora. Przy ustawieniu większego

napięcia wyjściowego często oznacza to

rysunku 2. Właściwym stabiliza−

torem napięcia jest układ scalony U1 −

popularna kostka LM317. Napięcie wy−

jściowe zasilacza jest regulowane poten−

cjometrem P1.

Bardzo ważną rolę w układzie pełni

układ scalony U2 − kostka LM3915 steru−

jąca linijką dziesięciu diod LED. Oprócz

funkcji pomiaru prądu, pełni ona istotną

funkcję w układzie ogranicznika prądo−

wego.

W normalnych warunkach pracy na−

pięcie wyjściowe jest wyznaczone sto−

sunkiem rezystancji R1, PR2 oraz P1.

Aby nie komplikować układu, zastosowa−

no potencjometr regulacyjny P1 o bodaj

najpopularniejszej wartości rezystancji

Rys. 2. Schemat

ideowy zasilacza.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/97

rojekty A

rysunku 1

rysunku 2

rojekty AVT

V VT

równej 10k W . Wiadomo, że potencjo−

metry węglowe mają znaczny rozrzut re−

zystancji, typowo ±20%, więc aby dla

dowolnego egzemplarza potencjometru

można było wykorzystać tę samą skalę

na płycie czołowej, konieczne było wpro−

wadzenie potencjometru montażowego

PR2. Właśnie ten potencjometr umożli−

wia takie wyregulowanie układu, aby

rzeczywiste napięcia wyjsciowe zgadzały

się z zaprojektowaną skalą. Bez niego

każdy użytkownik musiałby ręcznie za−

znaczać poszczególne napięcia na płycie

czołowej.

Zastosowanie potencjometru P1 o re−

zystancji 10k W i podanych na schemacie

rezystancji R1 i PR2 zapewnia bez obcią−

żenia zewnętrznego przepływ prądu wy−

jściowego stabilizatora o wartości około

2,4mA. Jak wynika z parametrów katalo−

gowych układu LM317, dla jego popra−

wnej pracy minimalny prąd wyjściowy

nie powinien być mniejszy niż 3,5mA,

a dla niektórych egzemplarzy kostek wy−

magany prąd minimalny może sięgać aż

10mA. Choć niektóre egzemplarze ukła−

du LM317 dobrze sprawują się już przy

prądzie 2mA, dla całkowitego bezpie−

czeństwa dodano układ źródła prądowe−

go z tranzystorem T3 i rezystorem R9.

Co prawda parę miliamperów prądu

“marnuje się”, płynąc wprost do ujem−

nej szyny zasilającej, ale za to nie trzeba

się martwić, czy w każdych warunkach

układ stabilizuje napięcie. Przy okazji

prąd ten zaświeca czerwomą kontrolkę

D15, która informuje o włączeniu zasila−

cza.

Teoretycznie problem minimalnego

prądu obciążenia można było rozwiązać,

stosując P1 i R1 o mniejszej wartości −

w praktyce jest to zła droga, bowiem

przy większych napięciach zasilających

w potencjometrze wydzielałaby się zbyt

duża moc strat. Ponieważ wiele poten−

cjometrów ma dopuszczalną moc strat

równą 0,1W, nie powinno się stosować

potencjometru P1 o rezystancji mniej−

szej niż 4,7k W .

Kondensator C3 zmniejsza tętnienia

i polepsza parametry dynamiczne stabili−

zacji.

Kostka LM3915 pracuje w klasycz−

nym układzie pracy, w trybie punktowym

− nóżka 9 jest niepodłączona. Praktyczny

i obszerny opis kostki LM3915 można

znaleźć w EdW 2/96. Napięcie odniesie−

nia (na nóżkach 6 i 7) jest równe 1,25V.

Tyle napięcia wejściowego (między nóż−

ką 5 a minusem zasilania, czyli nóżką

2 kostki U2) jest potrzebne, żeby zaświe−

cić ostatnią diodę LED − D14. Celowo za−

stosowano kostkę LM3915 o logaryt−

micznej charakterystyce wskazań − daje

to bardziej praktyczną skalę pomiaru prą−

du niż liniowy układ LM3914.

Napięcie wejściowe dla kostki U2,

proporcjonalne do pobieranego prądu,

uzyskiwane jest z rezystora R2. Aby zre−

alizować trzy zakresy pomiarowe i trzy

wartości ograniczenia prądowego, rów−

ne 10, 100 i 1000mA, przewidziano do−

datkowe rezystory R3 i R4, dołączane

przełącznikiem S1. Stosując wielopozy−

cyjny przełącznik można było zrealizować

dokładniejszą regulację prądu ogranicza−

nia. Jednak wtedy diod LED nie można

opisać wartościami prądu, tylko należało−

by zastosować skalę procentową w sto−

sunku do wartości maksymalnej. Nie−

wątpliwie utrudniałoby to odczyt wartoś−

ci prądu, dlatego zdecydowano się na

trzy “okrągłe” wartości prądu: 10, 100

i 1000mA. Później okazało się, że zakres

10mA w praktyce prawie nie jest po−

trzebny i ostatecznie zasilacz modelowy,

pokazany na fotografii, ma dwa zakresy

ogranicznika. Bez kłopotu można też zre−

alizować trzeci zakres − właściwie cały

czas on istnieje − wystarczy zastosować

trzypozycyjny przełącznik S1. Wprowa−

dzenie zakresu pomiarowego 10mA wy−

maga jednak zastosowania rezystorów

R15 i R16 oraz wykorzystania drugiej

sekcji przełącznika S1. Chodzi o to, żeby

wskaźnik pokazywał zero (żeby nie świe−

ciła żadna z diod linijki) także przy braku

obciążenia na zakresie 10mA − należy pa−

miętać, że prąd potencjometru P1 płynie

przez rezystor R2.

Przy dwóch zakresach ogranicznika

(100 i 1000mA) nie podłącza się drugiej

sekcji przełącznika S1 i zamiast rezystora

R15 trzeba wlutować zworę.

Działanie ogranicznika jest następują−

ce. Jeśli wzrastający prąd obciążenia

spowoduje stopniowe gaśnięcie diody

D13 i zapalanie ostatniej, czerwonej dio−

dy D14, w pewnym momencie zacznie

przewodzić tranzystor T4. Otworzy on

tranzystor T5, który zmniejszy napięcie

wyjściowe zasialcza, a tym samym prąd,

który nie będzie mógł dalej wzrastać.

W przyjętym prostym rozwiązaniu dla

bezpieczeństwa (związanego z rozrzu−

tem parametrów kostki U2) zastosowa−

no większą niż minimalna wartość rezys−

tancji R12. W efekcie podczas ogranicza−

nia prądu nigdy nie będzie palić się tylko

dioda D13 − świecić będzie zarówno dio−

da D13, jak i D14. Należy jednak pamię−

tać, że zapalenie czerwonej diody infor−

muje o redukcji napięcia i prądu zasila−

cza.

Do skutecznej pracy takiego sposobu

zabezpieczenia, maksymalny spadek na−

pięcia na rezystorze R2 musi być równy

napięciu odniesienia układu U1, czyli

około 1,25V. Taka wartość, niejako przy

okazji, doskonale pasuje do napięcia od−

niesienia kostki U2, co dodatkowo upra−

szcza układ pomiaru prądu.

Kondensator C5 decyduje o szybkości

działania ogranicznika. Bez tego konden−

satora ogranicznik w żadnym momencie

nie dopuści do przepływu prądu obciąże−

nia większego, niż wyznaczony wartoś−

cią rezystora R2 (ew. R3, R4). Duża war−

tość tego kondensatora spowolni reakcję

ogranicznika i w efekcie stabilizator bę−

dzie mógł dostarczyć duży prąd chwilo−

wy, byleby jego średnia wartość nie

przekraczała wartości wyznaczonej re−

zystoem R2 (ew. R3, R4). W praktyce

kondensator nie powinien być zbyt duży.

Wartość 100nF wydaje się tu górną gra−

nicą. Jeśli w trakcie użytkowania zasila−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/97

rojekty A

Projekty A

rojekty AVT

V VT

wane, a nie wykaże tego ani czerwona

dzioda D14, ani brzęczyk. Taki stan jest

możliwy, jeśli zastosowany byłby zbyt

mały radiator do układu U1 i wbudowane

zabezpieczenie termiczne kostki U1

ograniczyłoby prąd i moc strat.

W praktyce nie jest to wielkim proble−

mem, bo zawsze można zastosować ra−

diator większy niż wymagane minimum,

ewentualnie można zastosować pomiar

temperatury radiatora lub użyć aktywne−

go radiatora z wentylatorkiem.

Układ zasilacza może być wykorzysty−

wany przy napięciach do 24V i prądzie do

1A. Aby jednocześnie uzyskać takie para−

metry, konieczne jest zastosowanie

transformatora o mocy rzędu kilkudzie−

sięciu watów i solidnego radiatora.

W modelu zastosowano transforma−

tor TS8/28 o mocy 8VA, napięciu nomi−

nalnym 2x8V przy prądzie 2x0,35A. Na

pewno nie umożliwi on jednoczesne

uzyskanie maksymalnego napięcia

i maksymalnego prądu.

W układzie zasilacza można wyko−

rzystać inne transformatory sieciowe.

Należy wtedy zastosować kondensa−

tory filtrujące C1 o odpowiednim napię−

Rys. 3. Rozmieszczenie elementów

na płytce drukowanej.

cza okaże się, że jednocześnie świecić

się będzie kilka diod, świadczyć to bę−

dzie o zbyt słabym odsprzęganiu (filtro−

waniu) obwodu zasilania w dołączonym

badanym układzie.

Pracę stabilizatora U1 monitoruje

układ z tranzystorami T1 i T2. Jeśli mię−

dzy wejściem, a wyjściem stabilizatora

napięcie będzie wystarczająco duże,

tranzystor T1 będzie otwarty, a T2 zatka−

ny. Jeśli napięcie między wejściem a wy−

jściem będzie zbyt małe dla poprawnej

pracy stabilizatora, zatkany zostanie tran−

zystor T1, a otworzy się T2 i uruchomi

brzęczyk piezo z generatorem Y1.

Dźwięk brzęczyka oznacza więc, że na−

pięcie wyjściowe zasilacza nie jest pra−

widłowo stabilizowane.

Co prawda może zdarzyć się sytuacja,

gdy napięcie wyjściowe będzie zreduko−

Rys. 4.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/97

rojekty A

Projekty A

rojekty AVT

V VT

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

we równe 15V. Następnie trzeba spraw−

dzić, czy zgadza się napięcie wyjściowe

przy pokrętle ustawionym na 1,5V. Jeśli

nie zgadza się, trzeba mechanicznie prze−

kręcić nieco gałkę lub cały potencjometr

i ponownie przeprowadzić regulację dla

15V.

Aby wyregulować akustyczny wskaź−

nik braku stabilizacji należy dołączyć do

wyjścia zasilacza rezystor drutowy

o oporności 10...50 W i zwiększając na−

pięcie sprawdzić, kiedy stabilizator prze−

stanie poprawnie pracować. Zanik stabi−

lizacji można wykryć dołączając oscylo−

skop do rezystora obciążającego. Jeśli

w przebiegu wyjściowym pojawią się

tętnienia sieci, jest to znak, że stabiliza−

tor nie pracuje. Potencjometr PR1 należy

ustawić w takiej pozycji, aby przy zwięk−

szaniu prądu brzęczyk odzywał się nieco

wcześniej, zanim na wyjściu zasilacza

pojawią się tętnienia.

Przy braku oscyloskopu można regula−

cję przeprowadzić przy użyciu woltomie−

rza. Woltomierz należy dołączyć między

wejście a wyjście stabilizatora U1 i ob−

serwować jego wskazania przy zwięk−

szaniu obciążenia. Przy zwiększaniu ob−

ciążenia napięcie to będzie się zmniej−

szać, ale w pewnym momencie przesta−

nie się zmniejszać, bo stabilizator we−

jdzie w swego rodzaju stan nasycenia

i przestanie stabilizować napięcie wy−

jściowe. Potencjometr PR1 trzeba usta−

wić, aby brzęczyk odezwał się jeszcze

przed zanikiem stabilizacji. Pomocne bę−

dzie przy tym mierzenie także napięcia

wyjściowego.

Ogranicznik prądowy i wskaźnik prądu

nie wymagają regulacji − wystarczy kilku−

dziesięcioprocentowa dokładność wyni−

kająca z tolerancji użytych elementów.

Piotr Górecki

Rezystory

R1: 510 W

R2, R8, R9: 100 W

R3: 10 W 0,5W

R4: 1 W 1W

R5, R11: 2,2k W

R6: 100k W

R7, R10, R13, R14, R17: 22k W

R12: 180 W

R15, D16: zwora

R16: nie stosować

PR1: 100k W montażowy

PR2: 1k W helitrim

Kondensatory

T1...T4: dowolne PNP małej mocy

(BC557)

T5: dowolny NPN małej mocy

(BC547)

U1: LM317T

U2: LM3915

Różne

P1: 10k W liniowy − A

S1: przełącznik dwupozycyjny

TR1: TS8/28*

Y1: brzęczyk piezo z generatorem

B1: bezpiecznik zwłoczny WTAT −

100mA

oprawka bezbiecznika (blaszki do

druku)

zaciski laboratoryjne 2 szt

naklejka samoprzylepna płyty

czołowej 2szt

obudowa KM60

przewód sieciowy z wtyczką

Kondensatory

C1, C1B*, C1A*: 4700µF/25V

C2...C4, C6: 22µF/25V

C5: 100nF

Półprzewodniki

D1...D4: 1N4001...7

D5...D13: dioda LED zielona 3mm

D14, D15: dioda LED czerwona

3mm

* Uwaga! elementy C1A, C1B,

TR1 nie wchodzą w skład kitu

AVT−2131.

ciu pracy. Kostka U2 może pracować

przy napięciach zasilających do 25V. Jeś−

li napięcie na kondensatorach C1 byłoby

wyższe, trzeba zastosować diodę Zenera

D16 o odpowiednim napięciu.

W modelu nie zastosowano wyłączni−

ka sieciowego. Autor jest przekonany, że

nie jest on potrzebny. Zajmowałby tylko

cenne miejsce na płycie czołowej.

W praktyce wszystkie przyrządy i tak za−

silane są ze wspólnej listwy lub kostki

rozgałęziacza.

W razie potrzeby wyłącznik taki moż−

na umieścić na tylnej ściance obudowy.

Montaż

Montaż układu można wykonać na

płytce pokazanej na rysunku 3

wentylatorkiem).

Po zmontowaniu elementów na płyt−

ce drukowanej, należy przygotować pły−

tę czołową, umocować na niej przewi−

dziane elementy i wykonać połączenia

przewodowe według rysunków 2 i 3. Po−

mocą będzie fotografia wnętrza modelu.

Płyta czołowa pokazana jest na rysun−

rysun−

ku 4. Jak widać, wprowadzono na niej

pewne zmiany w stosunku do modelu

pokazanego na fotografich.

Nabywcy zestawu AVT−2131 otrzyma−

ją dwie samoprzylepne naklejki z tym ry−

sunkiem. Inni wykonają kserokopię ry−

sunku 4 na papierze samoprzylepnym.

Należy pamiętać o polakierowaniu tej pa−

pierowej naklejki. Ponieważ podczas la−

kierowania papier staje się bardziej prze−

jrzysty, na czarną płytę czołową warto

nakleić arkusz czystego, nielakierowane−

go papieru, a dopiero na niego właściwy

rysunek. Autor zaleca ostrożne wykona−

nie otworów w płycie dopiero po nakleje−

niu rysunku.

Uruchomienie

Ponieważ najczęstszą przyczyną kło−

potów są pomyłki w montażu, po zmon−

towaniu układ należy dokładnie spraw−

dzić na zgodność ze schematem ideo−

wym i montażowym. Następnie należy

włączyć układ, dołączyć do wyjścia mier−

nik i sprawdzić, czy napięcie daje się re−

gulować potencjometrem P1 w zakresie

1,25 do około 20V. Przy pokrętle poten−

cjometru ustawionym na 15V należy za

pomocą PR2 ustawić napięcie wyjścio−

Piotr Górecki

rysunku 3. Kolejność

montażu elementów nie jest krytyczna.

Przed rozpoczęciem montażu elemen−

tów warto jednak przygotować elementy

mocujące płytkę i radiator od obudowy.

Należy zaplanować i starannie wykonać

montaż układu scalonego do płytki i ra−

diatora. Niewłaściwe mocowanie z cza−

sem zaowocuje urwaniem się nóżek

układu U1.

jak widać, na płytce przewidziano ot−

wory do mocowania różnych transforma−

torów mniejszej mocy. Jeśli miałby być

zastosowany jeszcze większy transfor−

mator, zaznaczoną część płytki można

obciąć. Wtedy należy też zastosować od−

powiednio skuteczny radiator i zapewnić

właściwe chłodzenie przez wykonanie

otworów wentylacyjnych i ewentualne

zastosowanie aktywnego radiatora (z

rysunku 3

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/97

rojekty A

Projekty A

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

Różne

Kondensatory

Półprzewodniki

ku 4

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: