Регулирующий блок питания своими руками

Регулирующий блок питания со стабилизацией анодного напряжения предназначен для питания систем и устройств, требующих напряжения в диапазоне от 110 до 350 В. В частности, для питания всевозможных схем, построенных на электронных лампах. Выходное напряжение стабилизировано и идеально отфильтровано, что означает полное отсутствие гула или других помех от сети 220 В в акустических системах.

Регулирующий стабилизированный блок питания для ламповых схем

Благодаря очень точной стабилизации напряжения, лампы работают всегда в комфортных условиях, в следствии чего мы получаем великолепное звучание. Кроме того, такой регулирующий блок питания значительно облегчает запуск и проведение измерений лампового устройства. Для предотвращения бросков тока сразу после включения в блоке питания предусмотрена функция плавного пуска. Время нарастания напряжения на выходе источника питания от 0 В до напряжения установленного точным многооборотным потенциометром, составляет примерно 1,5-2 секунды.

БП также оснащен защитой от кратковременных коротких замыканий, перегрузок, которые могут возникнуть, например, при сборке или запуске лампового усилителя. Кроме того, на борту имеется схема задержки переключения анодного напряжения по отношению к источнику накала, который подается непосредственно с обмотки трансформатора, предназначенного для цепи накала 6,3 В переменного тока. Регулирующий блок питания со стабилизацией анодного напряжения обеспечивает для устройств, собранных на электронных лампах, комфортные условия. Что также положительно сказывается на сроке их службы.

Характеристики регулирующего блока питания:

• Входное напряжение: 100 — 300 В ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
• Выходное напряжение: 110 — 350 В ПОСТОЯННОГО ТОКА
• Выходной ток: 250 мА
• Непрерывная мощность, теряемая исполнительным транзистором: до 10 Вт
• Время нарастания напряжения 1,5 — 2 секунды (плавный пуск)

Технические данные для задержки включения:

• Время задержки 2 — 120 секунд
• Питание 6,3 — 9 В переменного тока или 7 — 12 В постоянного тока
• Потребляемый ток 150 мА

В цепи присутствует высокое напряжение, опасное для жизни и здоровья!!! При вводе в эксплуатацию необходимо соблюдать особую осторожность!

Подавление пульсаций — сетевой резонанс.

Как уже отмечалось выше, схема характеризуется превосходным подавлением пульсаций от сети 220 В. Обычная схема, содержащая кремниевый выпрямитель и фильтрующий конденсатор, имеет очень низкую способность к сглаживанию напряжения. Первая осциллограмма показывает работу такой схемы с емкостью фильтра 100 мкФ, нагруженной током 108 мА. Где постоянное напряжение на конденсаторе фильтра составляет 360 Vrmc. Пульсации составляют 7,2 Vpp соответственно. Вторая осциллограмма показывает форму напряжения, которое выдает с выхода наш регулирующий блок питания при точно таких же значениях входных величин и нагрузки. Уровень пульсаций составляет 16 mVpp (0,016 Vpp > 0,006 Vrms).

Таким образом, из простого расчета следует, что наш источник питания справляется с пульсациями в 450 раз эффективнее !!! При этом дополнительно сохраняется полная стабилизация выходного напряжения.

Следующие две осциллограммы показывают начало работы блока питания. Заданное выходное напряжение было установлено потенциометром на значение 250 В.

Описание схемы регулирующего блока питания

Переменное напряжение, подаваемое на вход J1 со вторичной обмотки трансформатора, передается через контакты реле К1 на мостовую выпрямительную схему, построенную с использованием
сверхбыстрых выпрямительных диодов D1-D4. Диоды дополнительно шунтируются конденсаторами С1-С4 для подавления возможных помех, возникающих при выпрямлении переменного напряжения. Выпрямленное напряжение подвергается предварительной фильтрации в схеме фильтра CRC, содержащей элементы C5, R1, C6. Резистор R2 служит для разрядки С5 и С6 при отключении блока питания. Перемычка J4 служит для шунтирования контактов реле К1 схемы включения с задержкой времени, которая будет описана далее.

Примечания: резистор R1 необходим, так как на нем происходит падение напряжения, зависящее от величины тока, потребляемого от источника питания, что необходимо учитывать при выборе трансформатора. Падение напряжения на R1 рассчитывается по закону Ома. Таким образом, выпрямленное и предварительно отфильтрованное напряжение поступает в цепь соответствующего стабилизатора.

Элементы R3, R4, R5, T1 и T2, а также C7 образуют источник тока с емкостью (зависит от резистора R5) около 1 мА. Нагрузкой источника тока является транзистор Т4 выполняющий роль усилителя напряжения ошибки, который сравнивает напряжение на делителе, состоящем из резисторов R9, R10, С7 и потенциометра Р1 с суммарным генерируемым напряжением 30 В, формируемым прецизионными опорными цепями D5, D6, D7.

Если напряжение на выходе блока питания, подаваемое через делитель R9, R10, P1 на базу транзистора Т4, слишком мало, то этот транзистор выключается, вызывая повышение
напряжение на его коллекторе и на затворе транзистора Т3, работающего как усилитель тока (с ограничителем), что приводит к увеличению выходного напряжения БП. Это продолжается до тех пор, пока на выходе делителя (R9, R10, P1) не появится напряжение, равное опорному напряжению (30 В), умноженному на 0,6 В падения напряжения база-эмиттер транзистора T4.

Дальнейшее поднятие напряжения невозможно, так как это приведет к большой перегрузке транзистора Т4, что в свою очередь приведет к падению выходного напряжения. Таким образом, схема остается в состоянии равновесия, и любое изменение выходного напряжения, вызванное, например, увеличением нагрузки регулирующего блока питания, немедленно корректируется транзистором Т4. Конденсатор С10 уменьшает скорость работы стабилизатора, снижая при этом уровень шума на его выходе.

Конденсатор С6 снижает шум и блокирует D5, D6, D7. Кроме того, С6, благодаря своей емкости (как для тока 1 мА) предотвращает бросок тока питаемого устройства, «медленно» повышая напряжение на выходе БП во время запуска.

Защита от короткого замыкания и перегрузки осуществляется с помощью резистора R8 и диода Зенера D9. Падение напряжения на резисторе R8 используемого в схеме защиты от перегрузки, не влияет на установленное выходное напряжение, так как вход делителя R9, P1, R10 подключен ниже по потоку, и поэтому схема усилителя ошибки по напряжению постоянно компенсирует это падение. Диод D11 защищает схему от «обратного» напряжения, если это произойдет, например, в питающей цепи. Возникающие остаточные шумы на выходе источника питания удаляются элементами L2, C11, C12, R11. Предохранитель F1 выполняет аварийную функцию, например, в случае длительного короткого замыкания на выходе блока питания, которого следует избегать.

Принципиальная схема БП

Описание схемы задержки переключения

Основным компонентом схемы является встроенный программируемый тактовый генератор типа CD4541BE. Он настроен на работу в качестве переключателя с регулируемым временем задержки.
Резисторы R12, R13, потенциометр Р2 и конденсатор С15 являются компонентами, взаимодействующими с внутренним генератором U2, они оказывают влияние на длительность времени задержки. Потенциометром Р2 используется для установки времени задержки включения блока питания в диапазоне от 2 до 120 секунд. По истечении заданного времени задержки с выхода 8 U2 через резистор R15 включается реле К1, а затем через транзистор Т5 подключается реле К1, которое, включаясь, подает напряжение со вторичной обмотки трансформатора на вход БП.

Это состояние отображается свечением светодиода. Время задержки регулируется потенциометром Р2: при повороте его ручки по часовой стрелке уменьшается время задержки, а в обратную сторону — увеличивается. Диод D12 защищает транзистор Т5 от повреждения при переключении реле К1. Вся схема таймера питается от напряжения 5 В, поступающего от встроенного стабилизатора напряжения U1 Low Drop и выпрямителя реализованного на элементах М1, С13. На разъем J3 подается переменное напряжение 6,3 В, непосредственно от накальной обмотки.

Внимание !!! В качестве U1 использован интегральный стабилизатор напряжения LDO типа LD1117V50, у которого предельное входное напряжение составляет 15 В. Во избежание выхода из строя данного компонента, на вход J3 должно подаваться напряжение не более 9 В переменного или 12 В постоянного тока.

Схема задержки переключения

Регулирующий блок питания — список компонентов

Посмотреть список компонентов

Печатная плата со стороны компонентов

Сборка регулирующего блока питания

Сборку регулирующего блока питания целесообразно начинать с сортировки его компонентов, чтобы не допустить ошибок. Например, второпях припаять резистор, отличающийся по номиналу от нужного. Тем более что большинство резисторов в наборе имеют допуск 1%, а значит, для их маркировки используется пятизначный код. Возможная ошибка при столь высоких рабочих напряжениях обычно приводит к повреждению дорогостоящих элементов. Далее, начинается сборка с пайки самых мелких деталей. Резисторы R1 и R8 устанавливаются на высоте от 3 до 5 мм над платой, чтобы облегчить отвод тепла от них в окружающую среду.

Обратите особое внимание, чтобы при сборке D5, D6, D7 не произошло короткого замыкания между их выводами.

Затем подготовить элементы T2, T3, T4, U1, разместив их на радиаторах, с предварительно нанесенным на каждый элемент тонкого слоя теплопроводящей пасты. Не используйте никаких изолирующих прокладок, что значительно ухудшает охлаждение элементов. В то же время нужно помнить, что, несмотря на черный изоляционный слой, на нем может возникнуть высокое напряжение!

После монтажа всех компонентов на печатную плату тщательно проверьте
правильность сборки!

Регулируемый блок питания — запуск

Ввод в эксплуатацию блока питания целесообразно начать со схемы, отвечающей за задержку включения питания. Для этого необходимо подать на разъем J3 напряжение из диапазона 6 — 9 В переменного тока или 7 — 12 В постоянного тока предварительно установив потенциометр P2 в крайнее правое положение, соответствующее наименьшей задержке. После подачи напряжения вы услышите «щелчок» реле и при этом должен загореться светодиод. Затем можно проверить работу таймера для более длительной задержки. Если все работает как надо, можно переходить к запуску к запуску высоковольтной части блока питания. Для этого нужно отключить питание таймера и установить перемычку J4 в положение «Выкл», при этом шунтируются контакты реле К1.

Для нормальной работы стабилизатора необходима минимальная разность напряжений между его входом и выходом 15 — 20 В постоянного тока. Где входное напряжение постоянного тока — это напряжение возникающее на конденсаторе С6, то есть после резистора R1. Постоянная мощность, теряемая на транзисторе Т3 не должна превышать 10 Вт. На разъем J1 подаем напряжение со вторичной обмотки трансформатора 300 В переменного тока. Далее регулируем напряжение на выходе БП потенциометром P1. Диапазон установки напряжения должен быть в пределах от 110 до 350 В. В схеме данной модели диапазон настройки составил 105 — 358 В.

Пример

Регулирующий блок питания со стабилизирующим напряжением будет стационарно установлен в корпус лампового усилителя. Для схемы усилителя мощности требуется источник питания с напряжением 300 В и потреблением тока около 160 мА. Как уже упоминалось, для правильной работы стабилизатора требуется разность напряжений Uwe — Uwy = 20 В. Учитывая, что напряжение в сети 220 В может колебаться, полагаем, что минимальная разница составит 25 В, измеренная на конденсаторе С6, то есть после резистора R1.

На практике, чтобы узнать разность токов в цепи, удобно измерять напряжение непосредственно на диоде D8. Теперь рассчитаем остаточное напряжение на резисторе R1 из соотношения
зависимости U = R × I. То есть U = 47[Ω] × 0,16[A] = 7,52[В]. На практике мы принимаем значение 10 В, которое прибавляем к нашей минимальной разности. С учетом наших расчетов необходимое напряжение на конденсаторе C5 (то есть перед R1) должно быть не менее 335 В постоянного тока. В этом случае на транзисторе Т3 выделится мощность P = U × I = 25[В] × 0,16[А] = 4[Вт], что является отличным результатом — транзистор Т3 не будет чрезмерно нагреваться.

Учитывая это, следует использовать трансформатор:

• Первичная обмотка — 220 В переменного тока
• Вторичная обмотка — 265-270 В переменного тока / 0,3 А

Точный теоретический расчет трансформатора достаточно сложен и выходит за рамки данной документации. Однако для наших целей достаточно принять приблизительно, что напряжение на конденсаторе C5 не нагруженного блока питания составит:

U_C5 = U_wt× √2

С другой стороны, нагруженный предполагаемым номинальным током:

U_C5 = U_wt× 1,265

Где U_wt — напряжение вторичной обмотки трансформатора.