Мощный гаражный источник питания

Мощный гаражный источник питания

Этот источник работающий от сети переменного тока, предназначен для питания приборов и механизмов электрооборудования автомобиля, вспомогательных инструментов и приспособлений, установленной в нём радиоэлектронной аппаратуры во время проводимых ремонтных или профилактических работ в гаражных условиях. Ценным качеством источника является защищённость от замыкания в цепи нагрузки. От него также можно питать портативную звукоусилительную или приёмопередающую аппаратуру, причём круглосуточно.

Источник вырабатывает стабилизированное постоянное напряжение 13,8 В при нагрузочном токе до 50 А. Увеличение тока нагрузки до предельного значения вызывает уменьшение выходного напряжения не более чем на 0,2 В.

Схема устройства изображена на рисунке. Устройство состоит из сетевого трансформатора Т1, выпрямителя на мощных диодах Шотки VD1—VD3, батареи фильтрующих конденсаторов СЗ—С14, транзисторов VT1, VT2 управляющего узла, коммутирующего элемента на полевых транзисторах VT3, VT4, накопительного дросселя L1 с коммутирующим диодом VD6, стабилизатора выходного напряжения на микросхеме DA2 и оптопаре U2, устройства защиты от замыкания выходной цепи на стабилитроне VD5 и оптопаре U1, сигнальных светодиодов HL1, HL2, индицирующих режим работы источника питания. На диодном мосте VD4, подключённом к обмотке III сетевого трансформатора, и на стабилизаторе DA1 выполнен источник питания узла управления.

При замыкании контактов выключателя SA1 сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора Т1. Пониженное до 24 В напряжение с обмотки II выпрямляет мощный диодный мост VD1—VD3. Применение в нём диодов Шотки позволило почти в два раза снизить мощность, рассеиваемую выпрямителем. Конденсаторы фильтра СЗ—С14 заряжаются до амплитудного значения, т. е. почти до 35 В.
Напряжение 15 В с обмотки III трансформатора выпрямляет диодный мост VD4, а стабилизатор DA1 ограничивает на уровне 12 В.

Стабилизированное напряжение поступает на управляющие транзисторы VT1, VT2. Так как через излучающие диоды оптопар U1 и U2 ток не протекает, оптотранзисторы закрыты и через резисторы R5 и R6 протекает базовый ток транзистора VT1. Поэтому он открывается, а транзистор VT2 остаётся закрытым.

Через VT1 на затворы транзисторов VT3 и VT4 относительно их истоков приходит открывающее напряжение 12 В. Резисторы R7 и R8 устраняют высокочастотное самовозбуждение ступени в моменты переключения. При открывании транзисторов коммутирующего элемента через накопительный дроссель L1 начинает протекать ток, напряжение на конденсаторе фильтра С15 увеличивается. Одновременно увеличивается и напряжение на управляющем входе стабилизатора DA2, задаваемое делителем R9R10.

Как только напряжение на конденсаторе С15 становится равным 13,8 В, напряжение на управляющем входе микросхемы DA2 достигает 2,5 В и он открывается. Через излучающий диод оптопары U2 и светодиод HL2 начинает течь ток, ограничиваемый резистором R11. Включившийся светодиод HL2 зелёного цвета свечения сигнализирует о достижении на выходе блока питания номинального напряжения. В этот момент открывается оптотранзистор оптопары U2 и базовый резистор R6 через малое сопротивление коллектор—эмиттер соединяется с отрицательным выводом источника питания управляющего узла.

В результате транзистор VT1 закрывается, a VT2 открывается и ёмкость затвор-исток транзисторов коммутирующего элемента быстро разряжается через резисторы R7, R8 и открывшийся транзистор VT2. Транзисторы VT3, VT4 при этом закрываются.

Энергия, запасённая в магнитном поле дросселя L1, преобразуется в электрический ток, замыкаемый через нагрузку открывающимся коммутирующим диодом VD6. Необходимость применения двух полевых транзисторов, работающих параллельно, объясняется тем, что ток через дроссель L1 имеет треугольную форму, и при выходном токе 50 А амплитуда тока через дроссель и транзисторы достигает 100 А. Помимо уменьшения протекающего через каждый из этих транзисторов тока, параллельное их соединение позволило в два раза снизить мощность, рассеиваемую переключательным элементом, и облегчить тепловой режим под кожухом прибора.

При номинальной нагрузке блока питания напряжение на его выходе равно 13,8 В, а на стабилитроне VD5 — 12,5 В. Излучающий диод оптопары U1 и светодиод HL1 закрыты. Если произошло замыкание выхода блока, выходное напряжение становится близким к нулю и через светодиод HL1 и излучающий диод оптопары U1 от стабилизатора напряжения R3VD5 протекает ток, ограниченный резистором R4. Светодиод HL2 зелёного цвета свечения гаснет, и включается HL1 красного свечения. Открывается оптопара U1, что приводит к закрыванию переключательного элемента. После устранения причины замыкания выхода блока он автоматически переходит в рабочий режим.

Источник питания имеет значительный запас по мощности, вследствие чего при токовых перегрузках на выходе успевают сработать плавкие предохранители FU2 и FU3 на номинальный ток 30 А, включённые параллельно. При этом будут одновременно светить индикаторы HL1 и HL2.
Таким образом, два светодиода индицируют три состояния блока питания. Свечение HL2 указывает на номинальное выходное напряжение, HL1 — на перегрузку, HL1 и HL2 одновременно — на перегорание предохранителей FU2, FU3. Налаживание блока питания заключается в подборке резистора R10 для установки необходимого выходного напряжения.

Управляющие транзисторы VT1 и VT2 в устройстве могут быть указанных типов с любым буквенным индексом. В случае необходимости каждый из них может быть заменён парой высокочастотных транзисторов, включённых по схеме Дарлингтона: КТ972А заменят КТ315 и КТ6114, а КТ973А — КТ361 и КТ6115 с любыми буквенными индексами. Несколько хуже работают пары КТ315, КТ815 и КТ361, КТ814. Переключательные транзисторы VT3, VT4 выбирают исходя из условий: напряжение сток—исток — не менее 50 В, а постоянный ток стока — не менее 50 А. Этим требованиям удовлетворяют, например, полевые транзисторы IRFZ48N, IRF1010N, IRL3705N, IRL2505.

Сетевой трансформатор Т1 применён промышленный, ОС-1,0-220/24, на вторичное напряжение 24 В, мощностью 1 кВт. Встречаются также аналогичные трансформаторы, маркированные ОС-1,0-220/50-24. Обмотку III наматывают монтажным проводом МГШВ-0,5 в свободном месте окна трансформатора без разборки его магнитопровода. Первоначально укладывают десять витков, измеряют полученное напряжение, после чего рассчитывают необходимое число витков для достижения напряжения 15 В и доматывают необходимые витки. Вместо обмотки III можно применить отдельный сетевой трансформатор с выходным переменным напряжением 12... 17 В мощностью 3...5 Вт.

Если готовый сетевой мощный трансформатор приобрести не удаётся, его можно изготовить из старого девятиамперного ЛАТРа. В качестве первичной следует использовать имеющуюся обмотку целиком (на 250 В), заизолировав отводы на 127 и 220 В. Очищенную от эмали дорожку на витках обмотки нужно очистить от пыли и покрыть двумя слоями нитролака НЦ221 или НЦ222 (в крайнем случае клея БФ-2).

После высыхания лака обмотку покрывают лентой из лакоткани или хлопчатобумажной матерчатой изоляционной лентой (два слоя). Затем укладывают вторичную обмотку, состоящую из 27 витков изолированного медного провода прямоугольного сечения 5x2 мм (или жгута из проводов меньшей толщины общим сечением не менее 10 мм2). Обмотка III — 19 витков любого монтажного провода.

Диоды VD1—VD3, VD6 — сборки из двух диодов Шотки с общим катодом на обратное напряжение не менее 50 В и выпрямленный ток 60 А. Вместо 60CPQ150 можно использовать 60CMQ050, C60P05Q, FST6050. Два из них — VD1, VD2 с общим катодом — удобно заменить одной с общим анодом FST16050A, S60D50A или SR5050A.

Выпрямительный мост VD4 может быть собран из четырёх диодов с обратным напряжением не менее 30 В и выпрямленным током 0,1 А. Вместо 7812 (DA1; выходное напряжение 12 В) можно использовать стабилизаторы КА7812, 78М12 или отечественные КР142ЕН8Б, КР142ЕН8Д, КР1180ЕН12А, КР1180ЕН12Б. Стабилизатор TL431LPA (DA2) заменим отечественным КР142ЕН19А, но при этом, как показали измерения, пульсации выходного напряжения источника увеличивались с 63 до 80 мВ.

Транзисторные оптопары, кроме указанных на схеме, могут быть 4N25—4N28, TLP331 или отечественные АОТ128А. Светодиоды HL1 и HL2 — любые красного и зелёного цветов свечения. Резисторы — МЯТ и С2-23; оксидные конденсаторы — импортные, а С14, С16 — К73-17. Предохранители FU2, FU3 на 30 А применены автомобильные.

Дроссель L1 — самодельный, изготовлен следующим образом. На гладкую оправку с внешним диаметром 35 мм наматывают несколько слоёв полиэтиленовой плёнки. Поверх неё укладывают виток к витку первый слой обмотки — 9 витков медного изолированного провода прямоугольного сечения 5x2 мм и наматывают пропитанный эпоксидным клеем слой стеклоткани. Её перед пропиткой необходимо прожечь в пламени паяльной лампы или газовой горелки.

Стеклоткань закрепляют нитками, наматывают второй слой обмотки — 8 витков, затем пропитанный эпоксидным клеем второй слой стеклоткани, который снова закрепляют нитками, и наматывают последний слой обмотки — 7 витков. Итоговое число витков обмотки — 24. Для предохранения от расползания витков обмотку стягивают нитками, покрывают снаружи тонким слоем эпоксидного клея и оставляют в тёплом месте до полной его полимеризации.

Всю работу необходимо выполнять в резиновых перчатках.

Через сутки готовую катушку снимают с оправки. Полиэтиленовую плёнку удаляют. Напильником снимают заусенцы и натёки клея.
Для изготовления магнитопровода необходимо обломки различных ферритовых изделий, вплоть до магнитопроводов отклоняющих систем кинескопов, истолочь в ступе и просеять. Самодельная ступа изготовлена из обрезка стальной трубы диаметром около 160 мм, приваренного к обрезку стального листа толщиной 3 мм. Пест представляет собой стальной стержень диаметром 30 мм.

Обломки феррита следует предварительно несколько раз нагреть в духовке до температуры 160 °С и быстро охладить в холодной воде, при этом в феррите образуются микротрещины, существенно облегчающие процесс измельчения. Просеянный через мелкое сито (можно изготовить из капронового чулка) ферритовый порошок замешивают на эпоксидном клее до густоты сметаны. Катушку ставят вертикально на лист органического стекла (к нему не приклеивается эпоксидная смола), зазоры между листом и катушкой замазывают автогерметиком, и полость внутри катушки заполняют полученной массой. После заливки в массу необходимо заложить головки одного-двух латунных винтов М4, которые в дальнейшем послужат для монтажа дросселя на шасси питания.

Дроссель, изготовленный по описанной технологии, получился весьма "тихим" и практически не нагревается во время работы.
Конструкция источника питания может быть во многом произвольной. Диодные сборки VD1—VD3 установлены на общем теплоотводе с полезной площадью 600 см2, транзисторы VT3, VT4 и диод VD6 — на втором, 800 см2. Эксплуатация показала, что теплоотводы практически не нагреваются и поэтому их размеры могут быть существенно уменьшены.

Устройство собрано навесным монтажом на отрезках технологических монтажных плат. На одной из них размерами 50x30 мм — детали источника питания узла управления, оптопары и транзисторы узла. Плата на стойках закреплена на теплоотводе транзисторов коммутирующего элемента.

Стабилизатор выходного напряжения и элементы узла защиты от перегрузок размещены на второй плате размерами 30x20 мм. Она закреплена на шасси вблизи выходных предохранителей.

Монтаж сильноточной части источника следует выполнять отрезками провода сечением 8... 10 мм2. Так как монтажный провод такого сечения найти затруднительно, можно изготовить его самостоятельно из экранирующей оплётки коаксиального кабеля РК-75. Пучок отрезков оплётки необходимой длины, снятых с кабеля, протягивают в термоусадочную полимерную трубку диаметром 8 мм. После прогревания трубки горячим воздухом из фена провод используют для монтажа.

В экспериментах по увеличению выходной мощности описанного источника питания мостовой мощный выпрямитель был собран на диодах В320-2, в качестве коммутирующего (VD6) применялся диод ДЧ171-320, число транзисторов коммутирующего элемента увеличено до пяти, причём сопротивление резисторов в цепи их затвора увеличено до 22 Ом. Сетевым трансформатором служил сварочный, а параллельно конденсатору С16 был включён ещё один диод ДЧ 171-320 катодом к плюсу, анодом — к минусу. Предохранители FU2, FU3 заменены одним самодельным на ток около 150 А.

В таком исполнении источник уверенно вращал стартёром коленчатый вал двигателя автомобиля "Волга".

К. МОРОЗ, г. Надым, ЯНАО

Источник: Журнал Радио 2011 №9 стр.39, 40