Obsah. Zadání. Parametry zdroje. Výstupní napětí stejnosměrné - regulovatelné 0-36V Zatěžovací proud Prodová pojistka - nastavitelná

Transkript

1 Obsah Zadání... 1 Parametry zdroje... 1 Použití zdroje... 1 Popis funkce elektrických částí... 2 Popis mechanické konstrukce... 3 Návrh chladiče... 4 Rozpiska součástek... 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 0-36V Zatěžovací proud max 2A Prodová pojistka - nastavitelná 5 ma - 2A Rozměry 160x120x205mm Napájení 220V / 50Hz Příkon max 100W Výstupní zvlnění max 5mV Teplotní ochrana výkonového stupně 60 ± 5 C

2 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

3 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

4 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 3k3 / 3W 5% C1 5m / 50V transformátor toroidní 100W R2 390R 1% 0.6W C2 5m / 50V 21V/3.25A, 9V/2.25A, 2x15V/0.15A R3 390R 1% 0.6W C3 470µ / 35V R4 10k 1% 0.6W C4 470µ / 35V eurokonektor + filtr 250V/2.5A R5 10R 1% 0.6W C5 100µ / 16V 9nF + 2x 460µH + 2x3.2nF R6 1k 1% 0.6W C6 100µ / 16V R7 2k2 1% 0.6W C7 150p PO1, PO2 T 1A

5 R8 3k9 1% 0.6W C8 1n 2x pojistkový držák panelový R9 3k9 1% 0.6W C9 27p R10 2k2 1% 0.6W C10 4n7 síťový vypínač kolíbkový R11 3k3 1% 0.6W C11 22µ / 50V R12 3k3 1% 0.6W C12 10n páčkový přepínač dvojnásobný R13 470R 1% 0.6W C13 100p R14 1k 1% 0.6W C14 100n / 63V MKT držák LED 5mm panelový R15 1k5 1% 0.6W C15 470n / 63V MKT R16 1k 1% 0.6W C16 220n / 63V MKT zdířka panelová červená R17 100R 1% 0.6W C17 20µ / 15V zdířka panelová černá R18 100R 1% 0.6W zdířka panelová celokovová R19 1k 1% 0.6W D1 ZD 12V / 1.3W R20 2R7 1% 0.6W D2 ZD 12V / 1.3W 3ks knoflík 5mm R21 2R7 1% 0.6W D3 KA261 R22 2R7 1% 0.6W D4 LED 5mm RED chladič 2x TO3 R23 2R7 1% 0.6W D5 ZD 5V6 / 0.4W chladič KD139 R24 2R7 1% 0.6W D6 ZD 3V3 / 0.4W R25 2R7 1% 0.6W D7 KA261 teplotní spínač J5A ± 5 C R26 15k 1% 0.6W D8 KA261 R27 3k9 1% 0.6W D9 1N5402 2x slídová podložka TO3 R28 8k2 1% 0.6W D10 ZD 4V7 / 0.4W slídová podložka KD139 R29 10M 1% 0.6W D11 ZD 4V7 / 0.4W slídová podložka J5A 23 R30 100k 1% 0.6W R31 100k 1% 0.6W T1 KD139 R32 1M 1% 0.6W T2 KD503 R33 1M 1% 0.6W T3 KD503 R34 820k 1% 0.6W T4 KC239B R35 100k 1% 0.6W T5 KC239B R36 47k 1% 0.6W T6 KC239B R37 1 1% 0.6W R38 1k 1% 0.6W IO1 MAA723 R39 2k4 1% 0.6W IO2 MA748 R40 100R 1% 0.6W IO IO4 ICL7106 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 Novák Pavel mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm