統合された保護機能を備えた実験用電源。スキーム、説明

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統合された保護機能を備えた研究室用電源。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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無線機器の開発や修理に携わるすべてのアマチュア無線家は、あらゆる場合に備えて研究室に汎用電源を備えておきたいと考えています。このような電源には、広範囲に調整可能な出力電圧、高電流、高電圧安定性、低リップル、信頼性の高い保護機能 (過電流、過電圧、過熱に対する) が必要であり、受電機器と電源自体の両方の安全性が保証されます。電源はシンプルである必要があり、希少で高価でかさばるコンポーネントが含まれていてはなりません。

上記の要件を満たす完成したデバイスの説明を見つける試みは失敗したため、作成者はそのようなユニットを自分で開発する必要がありました。それがどうなったかは、自分で判断してください。

提案された実験用電源 (PSU) の開発では、保護ノードに主な注意が払われました。著者によれば、最大限の信頼性を確保するには、電子的保護と電気機械的保護を組み合わせて使用する必要があります。

上記の電源ユニットでは、出力の過電圧に対する電流保護ユニット、および熱保護ユニットが実装されています。

広範囲の負荷電流における電気的損傷から無線機器を保護するには、電流保護を調整できる必要があります。開発プロセス中に、電流センサーの実装に関して特定の困難が発生しました。従来のバージョンでは、これは電源回路に含まれる抵抗器であり、その両端の電圧降下は保護制御ユニットによって監視されます。調整可能な電流センサーを実装するには、0,1 オームから 15 分の 20、さらには XNUMX 分の XNUMX 単位までの抵抗値を持つ、非常に高出力の可変抵抗器が必要になります。したがって、たとえば、電流センサーの抵抗が XNUMX オーム、電流が XNUMX A の場合、XNUMX W 以上の電力が消費されます。スイッチング抵抗を使用するオプションもありますが、この場合、スイッチは最大負荷電流に耐える必要があります。さらに、スイッチ接点の抵抗は不安定で、スイッチ抵抗器の抵抗に比例するため、保護しきい値も不安定になり、スイッチ自体が非常に大きくなります。もちろん、非常に低い抵抗の固定抵抗器を使用し、その両端の電圧降下を調整可能なDCアンプで増幅することもできますが、この実施形態では、デバイスはさらに複雑になります。

記事 [1] を読んだ後に得られた解決策は次のとおりです。スタビライザの前の電源回路に含まれるリードリレー RES-55 の本体に追加の巻線を巻きます。リレーの主巻線と追加巻線の電流の方向は、それらによって生成される磁場が合計されるように選択されます。次に、主巻線の電流を変更することで、PSU 電流保護の動作レベルを調整できます。

出力の過電圧保護ノードでは、通常、強力なツェナーダイオードまたはトリニスタが使用され、電圧が上昇すると PSU 出力が開閉します。電流が急激に増加すると、電源回路に組み込まれたヒューズが作動します。

電源ユニットの出力における過電圧を保護するために提案されたユニットでは、メインスタビライザーと同じ出力電圧規制則を備えた追加の低電力スタビライザーが導入されています。追加のスタビライザーの出力電圧は、メインのスタビライザーよりわずかに高くする必要があります。両方の電圧は最も単純な比較ノードに供給されます。メインスタビライザーの出力電圧を超えると、保護が動作します。

熱保護ユニットは、サーマルスイッチに組み込まれています。

PSUの主な技術的特徴：

出力電圧調整間隔、V....1,2...15; 1,2...30
最大負荷電流（1,2 ～ 30 V の電圧で 15 ～ 30 V の範囲を保証）、A ...... 15
電圧安定化係数、少なくとも..... 100
出力電圧 12 V、負荷電流 10 A におけるリップルレベル、mV、以下......30
保護作動電流調整間隔、А......0,5...15
保護が作動する出力電圧 V を超え、... 2 以下
冷却ファンの作動温度、°С...... 50
熱保護の動作温度、°C......60

電源回路を図に示します。ネットワーク変圧器 T1 の二次巻線から、交流電圧が整流器ブリッジ VD1 に供給されます。出力電圧間隔はジャンパ S1 によって切り替えられます。図によると左側の位置 - 1,5 ... 15 V。右側 - 1,2 ... 30 V。コンデンサ C1 ～ C4 は乗算干渉を軽減します。コンデンサ C6 ～ C9 によって平滑化された整流電圧は、一般的な回路 [3] に従って接続された DA1 および DA2 マイクロ回路上に組み立てられたメインおよび追加のスタビライザーの入力に供給されます。メインスタビライザの出力電流を増加させるために、制御トランジスタ VT1 ～ VT4 が使用され、そのエミッタ回路には電流平準化抵抗 R9 ～ R12 が取り付けられています。ダイオード VD2、VD3、VD10、および VD11 は保護用です。メインおよび追加のスタビライザーの出力電圧は、デュアル可変抵抗器 R2 によって調整されます。抵抗 R3 は、メイン安定器の電圧に対する追加安定器の最小過剰電圧を設定します。これは、保護ユニットが正しく動作するために必要です。

（クリックして拡大）

PSU 出力の電圧は電圧計 PV1 で測定され、出力電流は電流計 PA1 で測定されます。

動作の安定性を高めるために、電流保護ユニットには DA2 スタビライザーから電力が供給されます。抵抗器 R4 は、リードリレー K1 の主巻線 2 ～ 1 の電流を調整し、その結果、追加巻線 3 ～ 4 の動作電流が変化します。 PSU の出力電流が設定値を超えると、リレー K1 が動作し、接点 K1 1 がリレー K2 をオンにし、ダイオード VD8 を介して自己遮断します。リレー K2 が動作し、接点 K2.1 がメインスタビライザーを整流器から切り離します。この場合、HL1 LED の色が緑から赤に変わり、音声アラームが鳴ります（発生器内蔵の放音器 HA1）。警報音はSA3スイッチでオフにできます。電流保護動作の原因を取り除いた後、SB1の「リセット」ボタンを押すとPSUは元の状態に戻ります。ダイオード VD7 と VD9 は、リレー巻線 K1 と K2 の自己誘導電圧を制限します。

メインスタビライザと追加スタビライザの電圧を比較するノードでは、サイリスタフォトカプラ U1 が使用されます。スタビライザ電圧はフォトカプラの発光ダイオードに印加され、初期状態では閉じられています。メインスタビライザの出力の電圧が何らかの理由で上昇すると、フォトカプラのサイリスタが開き、前述したように保護がトリガーされます。ダイオード VD4 ～ VD6 はフォトカプラの発光ダイオードを過負荷から保護し、抵抗 R8 は電流を制限します。

熱保護はサーマルスイッチ SF1 および SF2 に提供されます。 SF1 スイッチは、ヒートシンク温度が 50 °C に達するとアクティブになり、M1 ファンモーターをオンにします。ヒートシンクの温度が上昇し続けて 60 °C になると、SF2 スイッチが作動し、保護がオンになります。ファンモータＭ１はスイッチＳＡ２により強制的にオンすることができる。

PSU の電気パラメータと寸法を決定する主な要素は、ネットワーク変圧器 T1 です。著者は、平均出力で出力電圧 600 V の二次巻線を備えた、総電力が約 30 W の既製のロッドトランスを使用しました。 PSU では、必要な特性を持つ任意の変圧器を使用できます。

ダイオードブリッジ MB351 (VD1) は、MB または KVRS シリーズの整流器に置き換えることができます。極端な場合には、必要な負荷電流を提供する個別のダイオードからブリッジを組み立てることもできます。

出力電圧間隔スイッチ S1 は、ジャンパで接続された XNUMX つの計器端子で構成されています。

KR142EN22A スタビライザーは、このシリーズのいずれか、または SD1083 DV1083、LT1083、SD1084、DV1084、LT1084 シリーズの輸入アナログと置き換えることができ、KR142EN8B スタビライザーは輸入アナログ 7812 と置き換えることができます。

リレー K1 - RES-55B バージョン RS4.569.600-00 (パスポート RS4.569.626)。リレーバージョン RS4.569.600-05 (パスポート RS4.569.631)、RS4.569.600-01 (パスポート RS4.569.627)、および RS4.569.600-06 (パスポート RS4.569.632) も適しています。リレーが 12 V の電圧で動作しない場合は、DA2 スタビライザと DA1,5 スタビライザの間に 2 つまたは 2 つの低電力シリコンダイオードを接続して、リレーが確実に動作するまで (10 ～ 16 V のマージンを持って) 電圧を上げる必要があります。マイクロ回路の出力1,4とコモンワイヤ、リレーハウジングの出力は取り外されています。追加の巻線は PETV (PEV) ワイヤでリレーケースに巻かれます。ワイヤの直径を選択するときは、電流密度 0,006 A / mm に焦点を当てる必要があります。著者のバージョンでは、追加の巻線には直径 15 mm のワイヤが 0,09 回巻かれています。巻線は熱収縮チューブで固定されています。計算された巻線抵抗は 1,35 オーム、2 A の電流での電圧降下は 90.3747 V、最大消費電力は 01 W です。リレー K30 - 自動車用 1-2、最大 5 A の電流をスイッチングできます。サーマルスイッチ SF2 および SF60 - 応答温度 50 °C の RB1009-1、以前は EC コンピューターで広く使用されていました。 XNUMX つのスイッチは応答温度 XNUMX °C に調整されます。サーマルスイッチは適切な温度に合わせて輸入BXNUMXに置き換えることができますが、接点がNCであるため、インバータを介してオンにする必要があります。 MXNUMX 電気モーターは、IBM コンピューターの電源を冷却するために使用されるファンです。

ALC331A (HL1) LED は、輸入された 818 色の 1 つまたは任意の 4 つの単色 (それぞれ赤と緑) と交換できます。トランジスタ KT100GM (VT825 ～ VT865) は、KT8102、KTXNUMX、KTXNUMX シリーズなどの最大消費電力が少なくとも XNUMX W の強力な p-n-p トランジスタに置き換えることができます。

抵抗 R9-R12 - C5-16MV、電力 2 ワット。直径0,8 ... 1 mmのニクロム線で作られた自家製のものに置き換えることができます。等しいベース・エミッタ電圧におけるコレクタ電流の等しい値に従ってトランジスタを選択する場合は、これらの抵抗を使用しなくても問題ありません。

信頼性を考慮し、巻線可変抵抗器 PPZ-45 (R2、R4) とトリマ多巻抵抗器 SP5-ZV (R3、R5、R13、R17) を使用しましたが、任意のものに置き換えることができます。ダイオード KD522A (VD3 ～ VD8、VD11) はシリコン製の低電力ダイオードと置き換え可能で、ダイオード KD258A (VD2、VD9、VD10) は最大電流が少なくとも 1 A の任意のダイオードと置き換えることができます。

電圧と電流の測定には、抵抗値 4203 Ω、合計偏差電流 500 mA の M1 測定ヘッドを使用しました。他の測定ヘッドを使用する場合は、抵抗器 R13、R16、R17 の抵抗値を再計算する必要があります。

コンデンサはC6～C9～K50～37ですが、その他のものを使用しても構いません。それらの合計静電容量は各負荷電流アンペアに対して少なくとも 2000 マイクロファラッドでなければならず、定格電圧は最大主電源電圧での整流器の出力電圧を超えなければならないことに注意してください。

コンデンサ C5、C10-C12、C14 - タンタル K52-1、K52-2、および K53-1A。酸化アルミニウムコンデンサを使用する場合、静電容量を数倍に増やす必要があります。残りのコンデンサはセラミックコンデンサです。

少なくとも 1 A の電流定格のスイッチ SA2 - T3 または別のスイッチ。スイッチ SA2、SA3 - MT1、ボタン SB1 - KM-1 ですが、他のものと置き換えることができます。

サイリスタフォトカプラ AOU103A の代わりに、AOU115 シリーズのフォトカプラを使用することもできます。

PSU は、230x120x300 mm の長方形の金属ケースに組み込まれています。ケースの上部、底部、側面のパネルに通気孔が開けられています。フロントパネルには、測定装置、出力端子、出力電圧インターバルスイッチの端子、電源スイッチ、ファンモーターとサウンドアラーム用のスイッチ、出力電圧R2と保護トリップ電流R4のレギュレーター、および保護機能が装備されています。トリップアラームLED。

背面パネルは3mmのアルミニウム製です。その上に、両面に KPT-8 ペーストを塗布したマイカガスケットを介して、トランジスタ VT1 ～ VT4、超小型回路 DA1 ～ DA3、整流器ブリッジ VD1、およびサーマルスイッチが固定されています。ファンは、ラック上の VT1 ～ VT4 トランジスタの上の背面パネルに取り付けられています。その下の空いている場所に通気穴が開けられています。ヒューズ FU1 と FU2 もリアパネルに配置されています。

デバイスの取り付けは、主に端子と絶縁ラックにヒンジで取り付けられます。電源回路の設置は、最小長さ 2,5 mm2 の断面積のより線を使用して行われます。コンデンサ C6 ～ C9 は、ブラケットを使用してサイドパネルに取り付けられたフォイルグラスファイバー製のボードにネジ止めされています。直径 1,4 mm の銅線が、全長に沿ってコンデンサの端子間の印刷導体にはんだ付けされます。変圧器は角を使って底部パネルに固定されています。

PSU を確立するには、保護ユニットを調整し、電流計と電圧計を校正する必要があります。これには、35 V の電圧計、20 A の電流計、最大出力電圧 35 V の補助安定化電源、および抵抗が 10 および 100 オームまたは同等の負荷を持つ可変負荷抵抗器 (レオスタット) が必要です。保護ユニットの調整は以下の手順で行います。

1.最初に過電圧保護ユニットを調整します。

1.1. 可変抵抗スライダー R4 が最大抵抗位置に設定されます。

1.2 電圧計の正のリード線をスタビライザ DA1 の出力に接続し、負のリード線をスタビライザ DA3 の出力に接続します。

1.3. 抵抗R1を使用してPSUの出力電圧を2 15 ... 1,2および30 ... 3 Vの範囲内で変更することにより、測定電圧が常に正となり、その値が最小で1,5 Vを超えないことが保証されます。これができない場合は、抵抗 R2.1 と R2.2 を交換するか、不整合が小さい抵抗 R2 を選択する必要があります。

1.4。 PSU出力電圧を30Vに設定します

1.5. スキームに従って、抵抗 R8 の出力は PSU 出力から切り離され、補助電源から電圧 (30 V よりわずかに低い) がそれに印加されます。

1.6. 補助電源の電圧を滑らかに上昇させることで、保護動作の瞬間をLEDの発光色を変化させて固定します。この場合の補助電源の出力電圧は 32 V を超えてはなりません。

1.7。抵抗 R8 と PSU 出力の接続を元に戻します。

過電圧保護の保守性を動作中にチェックすることもできます。メインスタビライザＤＡ３のコンデンサＣ１２の静電容量は、追加スタビライザＤＡ１内の同様のコンデンサＣ５の静電容量よりも大きい。静電容量の増加は、メインスタビライザーの出力におけるリップルレベルの低減に役立ちますが、同時に PSU 出力電圧調整の慣性も増加します。抵抗器 R12 のスライダーを電圧を下げる方向に急激に回すと、静電容量が大きくなるため、PSU の出力電圧が一時的にスタビライザー DA3 の出力電圧を超え、保護が作動します。

2.次に、電流保護ユニットを調整します。

2.1. 回路は、抵抗器 R4 と R5 の間、リレー K4 の追加巻線の端子 1 とリレー K2.1 の接点 K2 の間で遮断されています。

2.2. リレー K4 の追加巻線の端子 1 とコモン線の間に、抵抗値 10 オームの負荷抵抗と電流計が直列に接続されています。

2.3. 負荷抵抗の抵抗値を下げて、保護電流を測定します。保護電流は 16 ... 18 A 以内でなければなりません。これは、リレー K3 の追加巻線 4 ～ 1 の巻数を変更することで実現されます。

2.4. 抵抗R4とR5の接続を元に戻します。抵抗値 10 オームの負荷抵抗が 100 オームに置き換えられます。

2.5. 可変抵抗器Ｒ４のエンジンは最小抵抗値の位置に設定され、トリミング抵抗器Ｒ５は最大抵抗値に設定される。

2.6。負荷抵抗の抵抗を変えることにより、電流は0,5Aに設定されます。

2.7. 同調抵抗器 R5 のエンジンを動かすことにより、保護が作動します。

2.8. 100 オームの負荷抵抗を 10 オームに置き換えます。可変抵抗スライダー R4 が最大抵抗位置に設定されます。

2.9. 負荷抵抗の抵抗値を変化させて保護動作電流を測定します。その値が 15 A と異なる場合は、抵抗 R4 の選択が必要になります。

2.10. 負荷電流の値をいくつか設定することにより、可変抵抗器 R4 のスケールを校正します。

2.11。負荷抵抗と電流計をオフにします。リレー K4 の端子 1 と接点 K2.1 の間の接続を復元します。

電流計と電圧計は、一般に受け入れられている方法に従って校正されます。電流計の目盛は非線形であることに注意してください。

結論として、ほぼすべての PSU にこのような保護ユニットまたはその個別の要素を装備できることに注意してください。

文学

Nechaev I. コンパクトで強力な電圧コンバータ。 - ラジオ、2003 年、第 2 号、p. 29、30。
Shcherbina A.、Blagiy S、Ivanov V. シリーズ 142、K142、および KR142 のマイクロ回路安定化装置の応用。 - Radio、1991、No. 3、p. 47-51; No.5、p. 68-70。

著者: E.コロモエツ、イルクーツク

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