Obsah Zadání Parametry zdroje

Obsah
Zadání
Parametry zdroje
Použití zdroje
Popis funkce elektrických částí
Popis mechanické konstrukce
Návrh chladiče
Rozpiska součástek
...................
...................
...................
...................
...................
....................
...................
1
1
1
2
3
4
4
Přílohy:
Zdroj - Schéma
Zdroj - Deska plošných spojů
Měřák - Schéma
Měřák - Deska plošných spojů
Půdorys
Přední panel
Zadní panel
Popis předního panelu
Zadání
Realizujte regulovatelný stabilizovaný zdroj s plynule nastavitelným napětím 0 - 36V a
proudovou pojistkou nastavitelnou v rozsahu 0 - 2A. Napětí a proud budou indikovány
pomocí číslicového voltmetru.
Parametry zdroje
Výstupní napětí stejnosměrné - regulovatelné
Zatěžovací proud
Prodová pojistka - nastavitelná
Rozměry
Napájení
Příkon
Výstupní zvlnění
Teplotní ochrana výkonového stupně
0 - 36V
max 2A
5 mA - 2A
160x120x205mm
220V / 50Hz
max 100W
max 5mV
60 ± 5 °C
Použití zdroje
Zdroj je schopen dodávat výstupní napětí v rozmezí 0 - 36V. Maximální odebiratelný
proud je 2A. Výstupní napětí je indikováno pomocí 3 a ˝ místného číslicového měřidla.
Napětí je měřeno s kvantovým krokem 0,1V a proud 1mA. Zdroj je použitelný pro běžná
laboratorní měření.
Zařízení bylo navrhováno pro použití v laboratorních podmínkách a nelze ho používat ve
vlhkém, mokrém a horkém prostředí, nebo v prostředí s vodivým prachem.
Popis funkce elektrických částí
Zdroj je realizován pro připojení k rozvodné síti. Primární vinutí transformátoru je
připojeno přes dvě tavné pojistky (PO1, PO2). Tato konstrukce je poněkud nestandartní, ale
je to zde použito z dúvodů, že do síťového konektoru může být fáze připojena na dvě
možné svorky. Použitý transformátor je toroidní a má na svém sekundárním vinutí hodnoty
efektivního napětí 21V / 3.25A, 9V / 2.25A a 2x15V / 0.15A. Střídavé napětí je
usměrněno diodovým můstkem KBPC10 (DB1). Napětí je filtrováno pomocí dvojice
elektrolytických kondenzátorů 5m / 50V (C1, C2). Pomocné napětí je usměrňováno
diodovým můstkem B40C800 (DB2). Filtrováno mocí kondenzátorů (C3, C4). Tímto získáme
napětí ve schématu označené +Ucc a -Ucc. Hodnota těchto napětí je přibližně 18V. Napětí
+12V a -12V je získáváno pomocí standartního zapojení stabilizátoru se zenerovou diodou
(R2, D1, R3, D2) a filtrováno pomocí kondenzátorů (C5, C6). Ve zdroji je užito
integrovaného obvodu MAA723. Obvod je zapozdřen v pouzdru TO-100 s deseti vývody.
Obvod obsahuje stabilizátor teplotně kompenzovaného referenčního napětí 7.15V
vyvedeného na svorku 4, rozdílový zesilovač odchylky, obvod proudové ochrany a výstupní
výkonový zesilovač. Obvod je v zapojení s plovoucí zemí. Princip tohoto zapojení spočívá v
tom, že se pomocí zdroje konstantního proudu vytváří napětí na proměnných odporech potenciometrech. Stabilizátor se snaží dosáhnot stejného výstupního napětí jako je úbytek
na potenciometrech (P4, P5). Odpory (R7, R8, R9, R10, R11, R12) a odporový trimr (P3)
tvoří vyvážený můstek, pomocí kterého se vyrovnává výstupní napětí s úbytkem na
potenciometrech. Pomocí odporového trimru (P3) se dostavuje maximální hodnota
výstupního napětí. Dioda (D3) ochraňuje vstupní tranzistor integrovaného obvodu (IO1),
Zajišťuje, aby na vstupu IO nebylo záporné napětí. Kondenzátory (C7 a C8) zamezují
rozkmitání zdroje. Odpor (R13) v běžném provozu nemá vůbec žádný vliv (zhoršuje stabilitu
výstupního napětí), ale při poruše výkonových tranzistorů zajišťuje, aby IO nepracoval do
zkratu a nezničil se. Zenerova dioda posouvá výstupní pracovní (IO1) bod do lineární
oblasti. Výkonový stupeň je tvořen v podstatě darlinktonovým zapojením tranzistorů (T1, T2,
T3). Odpor (R19) slouží k dokonalému uzavření výstupních tranzistorů. Odpory (R20 až
R25) složí k vyrovnání proudů mezi tranzistory (T2 a T3). Zároveň slouží pro měření
výstupního proudu a proudovou pojistku. Odpory (R17, R18) vytvářejí aritmetický průměr
mezi úbytkami na odporech (R20 až R25). Dioda (D9) ochraňuje výkonový stupeň (T2, T3)
proti případným kladnějším napětím na výstupu než je napětí na kladné svorce filtračních
kondenzátorů (C1, C2). Tyto napětí mohou vzniknout například při odpojování indukční
zátěže. Teplotní spínač snímá teplotu na chladiči. Jelikož je chladič poddimenzovaný, tak při
určitéch výstupním napětí a produ se na výkonovom stupni tvoří tak velké množství energie,
že ji chladič nedokáže rozptýlit do okolního prostředí. Při překročení teploty 60°C na
chladiče sepne teplotní spínač a tím dojde k omezení výstupního proudu na minimum (asi
5mA). Pokud je výstup zatížen tak svítí LED pro indikaci proudové pojistky. Chladič
postupně vychladne a teplotní spínač rozepne. V této době je zdroj nepoužitelný.
Integrovaný obvod (IO2) slouží jako komparátor napětí vytvořeného na odporech (R20 až
R25) s napětím vytvořeným pomocí děliče (R4, R5, P1, P2). Pomocí odporu (R5) je
nastavena minimální hodnota proudové ochrany na 5mA. Při vynechání tohoto odporu se
zdroj choval zcela zmatečně, pokud jsme nastavily proudovou pojistku na minimum.
Proudové ochrany pod 5mA se v praxi jeví jako zcela zbytečné. Maximální výstupní proud
se nastavuje pomocí odporového trimru (P1). Kondenzátory (C9, C10) zajišťují, aby se
komparátor nerozkmital. Výstup je vyveden na bázi zesilovače LED - indikace funkce
proudové pojistky (R16, T4, R15, D4) a na vstup integrovaného obvodu, pomocí kterého lze
snížit výstupní hodnotu napětí bez ohledu na nastavení výstupního napětí. Odpor (R14)
zajišťuje ochranu tohoto vstupu a zenerova dioda (D6) zajišťuje, aby tranzistor (T4) byl v při
funkci proudové pojistky v saturaci. Odpory (R26 a R27) tvoří vstupní děličpro měření
proudu, odporovým trimrem lze přesně dostavit hodnotu proudu na výstupu. Analogicky
fungují i odpory (R28 a R29) a odporový trimr (P7). Kondenzátor (C11) blokuje výstupní
napětí proti vf složce a zamezuje rozkmitání zdroje. Měřící přístroj funguje na principu
měřící metody s dvojí integrací. Veškeré nutné obvody obsahuje integrovaný obvod firmy
Maxim ICL7106 (IO4) u nás vyraběný pod označením MHB7106. Tento integrovaný obvod
obsahuje: zdroj referenčního napětí 2,5V mezi svorkami V+ a COMM, výstupní budiče pro
připojení zobrazovače z kapalných krystalů, čítač, oscilátor, integrační obvod, komparátor
nuly atd. Odpory (R30 a R31) a tranzistory (T5 a T6) ochraňují vstup IO před velkým
napětím a napěťovými špičkami. Odpor (R34) a kondenzátor (C12) tvoří integrační článek,
který zamezuje přístupu střídavého napětí na vstup měřidla a zároveň tvoří také ochranný
obvod s vnitřními rychlými diodami. Odpor (R35) a kondenzátor (C13) tvoří s¨dvojicí
invertorů uvnitř IO oscilátor pomocí tohoto oscilátoru jsou nastaveny přibližně tři měření za
sekundu a nastavuje se ním i frekvence pro budiče zobrazovače. Kondenzátor (C14) je
vlastní integrační kondenzátor, na kterém dochází k měření napětí. Pomocí děliče (R39 a
R40) je nastaven základní měřící rozsah na cca 200 mV. Přesnost tohoto nastavení není
kritická, protože hodnoty lze přesně dostavit pomocí odporových trimrů (P6, P7). Obvod
(IO3) slouží k vytváření desetinných teček na zobrazovači. Odpory (R32 a R33) rozsvicují
desetinné tečky, k shášení je použita druhý přepínací kontakt přepínače napětí / proud.
Vstupy nepoužitých hradel je nutné připojit k nějakému potenciálu (zem). Odpory (R37 a
R38), kondenzátor (C17) a zenerovy diody (D10 a D11) tvoří stabilizátor napětí pro měřák
(IO4). Veškeré nepoužité segmenty je nutné spojit se zadní elektrodou zobrazovače BP, aby
nedocházelo k jejich náhodnému rozsvěcování. Při měření napětí je měřeno záporné napětí
a rozsvěcování symbolu - by působylo rušivě. Aby se nám nerozsvěcoval symbol - je vývod
29 zobrazovače (LCD) připojen k zadní elektrodě BP a ne k vývodu POL - 20 (IO4).
Popis mechanické konstrukce
Je využito krabice z nefunkčního pulsního zdroje UNITRA. Z původních součástí lze
využít pouze vnější plechy a nosné sloupky. Transformátor je upevněn pomocí šroubu mezi
dva plechy (jeden plech je upevněn na nosné sloupky v levé části krabice. Je nutné vložit
vhodný měkký materiál, aby se nemačkalo vinutí transformátoru. Filtrační kondenzátory jsou
upevněny pomocí nosného plechu v pravé části krabice. Je nutné zajistit, aby byly volně
přístupné tlakové pojistky kondenzátorů pro případ exploze. Usměrňovací můstek (DB1) je
upevněn pomocí kousku plechu na nosný sloupek vedle transformátoru. Na zadní stěnu jsou
upevněny dva držáky pojistek, vstupní filtr s eurokonektorem, chladič a zdířka pro uzemnění.
Plošný spoj zdroje drží přes dvě výstupní zdířky (+ a -) a dva úhelníky na nosné sloupky.
Potenciometry jsou přidělány přímo na plošný spoj, který pro ně představuje subpanel.
Měřidlo je připevněno pomocí čtyř šroubů do předního panelu. Na chladiči jsou připevněny
tranzistory (T2 a T3) přes slídové podložky. Je nutné zajistit, aby byly odizolované od
chladiče. Na zadní panel zevnitř je připevněn teplotní spínač pomocí kusu pertinaxu.
Propojení vstupního obvodu, výkonového usměrňovče a filtru, výkonových tranzistorů a
připojení měřícího přístroje k desce zdroje je provedeno pomocí plochých kabelů. Veškeré
vodiče jsou svázány pomocí vázacích pásků.
Návrh chladiče
K chladiči je nutné připevnit dva tranzistory v pouzdře TO3 a teplotní spínač.
Výkonová maximální ztráta Maximální teplota polovodičová struktury Pracovní teplota okolí Vnitřní tepelný odpor Tepelný odpor pouzdro chladič Celkový tepelný odpor Tepelný odpor chladiče Použitý chladič má tepelný odpor asi 1,1K/W, z čehož plyne že chladič nedokáže uchladit
tranzistory, pokud se na nich vytváří výkon 80W. Jestliže používáme zdroj do 1A nejsou
problémy s chlazením. Při použití na 2A a výstupním napětí menším než 15V dochází k
přehřívání chladiče. Při přehřátí sepne teplotní spínač a na výstup může projít maximálně
5mA. Při tomto proudu je výkonová ztráta na tranzistorech malá a chladič vychladne. Tento
problém by šel řešit buť použitím většího chladiče (tím by došlo k velkému zvětšení
konstrukčních dílů a krabice), nebo požitím elektronického přepínání vinutí, čímž by se
zmenšil maximální úbytek na výkonových tranzistorech a maximální výkonová ztráta. (Tímto
řešením jsem se zabíval, avšak funkce nebyla spolehlivá, Kdykoliv je možné doplnit zdroj
dalším modulem s přepínáním.) Pokud byl chladič studený a my jsme ze zdroje napájeli
zařízení, které odebíralo 10V / 2A tak doba možného použití je přiblžně 10 minut. Po této
době dojde k sepnutí teplotního spínače a omezení výstupního proudu. Teplotní spínač také
chrání proti poškození výstupních tranzistorů, když by jsme zdroj vystavili velkému teplu
(např. položily na ústřední topení ...).
Pro kontrolu lze řící, že maximální teplota chladiče je 60°C z čehož plyne:
Dle tohoto výpočtu je maximální teplota přechodu 156°C, dle katologu je maximum
155°C.
Poznámka: Ve výrobku je požit nevhodný chladič, protože jeho žebra jsou vodorovně a
nemůže se uplatňovat tzv. komínový efekt. Tímto se ještě zhoršují jeho parametry. V době
výroby nebyl vhodnější chladič k dispozici.
Rozpiska součástek
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
3k3 / 3W 5%
390R 1% 0.6W
390R 1% 0.6W
10k 1% 0.6W
10R 1% 0.6W
1k 1% 0.6W
2k2 1% 0.6W
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
5m / 50V
5m / 50V
470µ / 35V
470µ / 35V
100µ / 16V
100µ / 16V
150p
transformátor toroidní 100W
21V/3.25A, 9V/2.25A, 2x15V/0.15A
eurokonektor + filtr 250V/2.5A
9nF + 2x 460µH + 2x3.2nF
PO1, PO2
T 1A
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R19
R20
R21
R22
R23
R24
R25
R26
R27
R28
R29
R30
R31
R32
R33
R34
R35
R36
R37
R38
R39
R40
3k9 1% 0.6W
3k9 1% 0.6W
2k2 1% 0.6W
3k3 1% 0.6W
3k3 1% 0.6W
470R 1% 0.6W
1k 1% 0.6W
1k5 1% 0.6W
1k 1% 0.6W
100R 1% 0.6W
100R 1% 0.6W
1k 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
2R7 1% 0.6W
15k 1% 0.6W
3k9 1% 0.6W
8k2 1% 0.6W
10M 1% 0.6W
100k 1% 0.6W
100k 1% 0.6W
1M 1% 0.6W
1M 1% 0.6W
820k 1% 0.6W
100k 1% 0.6W
47k 1% 0.6W
1 1% 0.6W
1k 1% 0.6W
2k4 1% 0.6W
100R 1% 0.6W
C8
C9
C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
1n
27p
4n7
22µ / 50V
10n
100p
100n / 63V MKT
470n / 63V MKT
220n / 63V MKT
20µ / 15V
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
ZD 12V / 1.3W
ZD 12V / 1.3W
KA261
LED 5mm RED
ZD 5V6 / 0.4W
ZD 3V3 / 0.4W
KA261
KA261
1N5402
ZD 4V7 / 0.4W
ZD 4V7 / 0.4W
T1
T2
T3
T4
T5
T6
KD139
KD503
KD503
KC239B
KC239B
KC239B
IO1
IO2
IO3
IO4
MAA723
MA748
4030
ICL7106
2x pojistkový držák panelový
síťový vypínač kolíbkový
páčkový přepínač dvojnásobný
držák LED 5mm panelový
zdířka panelová červená
zdířka panelová černá
zdířka panelová celokovová
3ks knoflík 5mm
chladič 2x TO3
chladič KD139
teplotní spínač J5A 23 60 ± 5 °C
2x slídová podložka TO3
slídová podložka KD139
slídová podložka J5A 23
P1 10k TP011
P2 2k2 TP195
LCD 4DR821B
P3 10k TP011
P4 22k TP195
DB1 KBPC10
P5 2k2 TP195
DB2 B40C800
P6 5k víceotáčkový
P7 5k víceotáčkový
24.4.1997
5
mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm
Novák Pavel