Nagyáramú, nagy pontosságú rövidzár védett feszültség stabilizátor Solti István HA5AGP

Nagyáramú, nagy pontosságú rövidzár védett feszültség stabilizátor Solti István HA5AGP Már sok féle feszültség stabilizátor megoldással találkoztunk e lap hasábjain, most ezt egy újabbal gyarapítanám. Nem a mennyiség miatt, csupán azért, mert a rövidzár védelem megoldása és a stabilizáló szeleptranzisztorok áramkörben való lehelyezése eltér a korábban közöltektől. A rövidzár védelem újszerűsége, hogy rövidzár esetén fizikailag lekapcsolja a fogyasztót a tápegységről. A rövidzár megszűnése (megszűntetése) után a „reset” gomb megnyomásával újból üzemképes a tápegységünk. Végtelenül egyszerű megoldás mellett biztos védelmet biztosít a stabilizátor számára. Előnye még, hogy szinte kommersz, talán a fiók mélyén lévő alkatrészekből megépíthető. Tekintsük át a tápegység működését. Az áteresztő (szelep) tranzisztoros feszültség stabilizátorok lényegében úgy működnek, mintha a szeleptranzisztorok egy, a kimenő teljesítmény függvényében változtatható ellenállások lennének. A szeleptranzisztorok „ellenállását” a szabályzó áramkör végzi. A transzformátor szekunder oldalán előállított, feszültségből a fogyasztással lineárisan változó ellenállás a kimeneten mindig a beállított üzemi feszültséget produkálja. A szeleptranzisztorokon maradó teljesítmény hővé alakul, melyet nagy felületű hűtőborda segítségével kell elvonni a tranzisztorok felületéről, mivel azok belső hőmérséklete nem haladhatja meg a 150 Co-ot. Itt van szerepe annak, hogy a hűtőbordára a szeleptranzisztorokat ebben a kapcsolásban a „-„ ágban használjuk. A tranzisztorokat ezért fémesen, szigetelés nélkül, jó hőátadó képességgel tudjuk felszerelni a hűtőbordára. Ez lényeges a nagy kimenő áram, a nagy disszipált teljesítmény miatt! A szokásos stabilizátorokban a szeleptranzisztor a „+” ágban van, ezért azokat csak szigetelten lehet felszerelni a hűtőbordára, mivel a tranzisztorok kollektora a felerősítésükre szolgáló hűtőlemezre van kivezetve. Azonos kimenő áramnál nagyobb teljesítményű, vagy több tranzisztort kell használnunk. Tekintsük át a szeleptranzisztoros szabályzó áramkör működési elvét, melyet a következő rajz illusztrál: +

+

Szabályzó áramkör

Uref

Ube

Uki

-

Usz

Ahol: - Ube a szekunder oldalon egyenirányított feszültség - Uki a kimeneten szükséges feszültség - Usz a szeleptranzisztorokon maradó feszültség. - Uref a kimenő feszültségből vett minta

Ube = Usz + Uki A szeleptranzisztoron maradó teljesítmény: P=Usz*I A képletekből egyértelműen látszik, hogy az állandó kimenő feszültség miatt a kimenő áram növekedésével lineárisan nő a szeleptranzisztorokon disszipált teljesítmény. Tekintsük át a rövidzár védelem megoldását. Ritkán használt, de nagyon megbízható megoldás a szabályzó áramkörök védelmére. (Rövidzár esetén a teljes Ube*Iki a szeleptranzisztorokon maradna, melyek ez által biztosan tönkre mennének.) A rövidzár védelem lényege, hogy a „+” ágba épített 1 menetes tekercsbe egy kisméretű reed csövet helyezünk el. A reed cső igen gyorsan húz meg a megfelelő mágneses teljesítmény hatására. A túláram által létrehozott mágneses mező bekapcsolja a reed csövet, ami a tirisztort kinyitja. A nyitott tirisztor a BC303 bázisát a 3,3K ellenálláson keresztül + ágra húzza, teljesen kinyitja. A nyitott BC303 teljesen lezárja a BD202 tranzisztort. A lezárt BD242 szintén lezárja a 4 darab BD249-et, (bázis-kollektor feszültség megszűnik) ezzel a kimeneten megszűnik a feszültség. A nyitott tirisztoron keresztül a 330 Ohm ellenállással sorba kötött LED világit. (ZP-4,7 – LED – 330 Ohm áramkör) A rövidzár megszüntetése után a „reset” kapcsoló megnyomásával zárjuk a tirisztort, amely ez urán a szabályzás folyamatát átadja a referenciafeszültségről vezérelt BC212-nek. Lássuk a teljes kapcsolási rajzot.

A működés megismerése után néhány tanácsa a kivitelezésre. A szekunder oldalon egyenirányított feszültségnek elegendően nagynak kell lenni, mert a teljesen nyitott szeleptranzisztoron átlagosan minimum 0,8V feszültség, a kollektorköri 0,1Ohm ellenállásokon 0,5-0,5V marad. A szeleptranzisztort azonban nem szabad teljesen nyitott állapotba vezérelni, ezért a gyakorlatban minimálisan ennek a kétszeresével, 1,6V feszültséggel kell számolnunk. Jelen esetben a szekunder oldalnak minimálisan 13,6V+1,6V+0,5V=15,7V-ot kell szolgáltatni a stabilizátor bemenő kapcsaira. Az

egyenirányító belső ellenállása (ennél az áramnál ezzel már számolnunk kell!) és az egyéb veszteségek miatt azonban célszerű 20V= feszültségre méreteznünk a stabilitás érdekében. Az ismert képleteket használva a transzformátor méretezése a következő: Pszek = 20*20 VA Uszek = 20V *0,8 = 16V (Transzformátor szekunder oldalának effektív feszültsége) Ppr = Pszek*1,24 = 20*16*1,24 = 397VA Tehát transzformátorunk primer körét 397VA teljesítményre kell elkészítenünk. Fontos betartani mind a transzformátor szekunder körének, (ez a kapcsolási rajzon az egyenirányító dióda híddal együtt csak utalás szintű) és a vastag vonallal jelzett áramköri részek nagyáramú szerelési szabályait. (Ne a panel rézvezetője legyen az olvadó biztosíték! Hi!) Megfelelő átmérőjű huzalt és összekötő vezetékeket használjunk. ne feledkezzünk el a 3A/mm2 szabályról! A tápegység doboza mechanikailag stabil legyen, mert maga a transzformátor mérete, súlya ezt megköveteli. A trafót érdemes hipersyl vasra tekerni, ekkor a súly és a méret kisebb, mint a lemezmagosnál. A tápegység doboz hátlapjának hosszú tollazatú hűtőbordát alkalmazzunk, mert ekkor nem kell kényszerhűtést alkalmazni még tartós terhelés mellett is. A hátlapra fémesen szereljük fel egymás mellé arányos távolságban a szeleptranzisztorokat. A kollektorokat megfelelően vastag huzallal (legalább 3mm átmérőjű, vagy hasonló átmérőjű réz sodrattal) összeforrasztva vezessük a kimeneti csatlakozóra, amely lehet fémesen földelt is. A mintapéldány 300x200x90 mm méretű hűtőbordára készült, mely tartós terhelésnél sem forrósodik fel. Az emitterekkel sorba kapcsolt 0,1 Ω ellenállások a tranzisztorok közötti arányos árameloszlást segítik. Az ellenállások feltétlenül egyforma értékűek legyenek, melyeket beépítés előtt mérjünk be! Természetesen a teljesítményük minimum 2,5W legyen. Az ellenállások végeit szintén vastag rézhuzallal, vagy réz sodrattal kössük össze és a legrövidebb úton vezessük az egyenirányító híd negatív közös pontjára. A tranzisztorok bázisait párhuzamosan kössük össze és a vezérlő panelen elhelyezett és szigetelten felszerelt BD-242 kollektorára vezessük. Ezt a vezetőt már nem kell vastag huzalból készíteni, de legalább 1mm átmérő célszerű. A biztonságosabb üzem érdekében a BD242-re tehetünk egy kisebb hűtőzászlót, de nem nagyon melegszik. A nagyáramú egyenirányító dióda hidat a hűtőbordájával és a puffer kondenzátort a váztól szigetelten kell szerelni mivel a hűtőbordák, illetve maga a tápegység doboza a kimenő „-„ ponton van! Puffer kondenzátornak minimum 22 000 F/48V szükséges, mivel jelentős energiát kell tárolni a kimeneti brumm feszültség alacsony értéken tartása érdekében. Amennyiben lehetőségünk és helyünk is van a dobozban, inkább két párhuzamosan kapcsolt 22 000 F/48V kondenzátort használjunk. A kimenő feszültség csatlakoztatására nagy áramú, csavarmenetes banánhüvelyt javaslok alkalmazni. A fogyasztó kábelének végére vastag forrfület forrasszunk és azt csavarozzuk a banándugóra a „késes” banándugó használata helyett. A stabilizátorunk vezérlő egységét célszerű külön nyáklapra szerelni. A vezérlő egységet „sorozatgyártással” más fogyasztói áramra is felhasználhatjuk. Például egy 3-5A fogyasztáshoz elég egy kisebb dobozba szerelt egy szeleptranzisztoros változat is kiválóan működik.

A vezérlőegység kapcsolási rajza A vezérlőegységet egy 60x90-es panelre építhetjük. Elegendő, ha a nyomtatott oldalra szereljük fel az alkatrészeket, mivel házilagos kivitelben ez egyszerűbb, nem kell furatokat készíteni.

A vezérlőegység panel nyomtatott áramköre

A feszültség stabilizálását a ZP-6,2 zener diódáról levett referenciafeszültséggel a BC-212 végzi. Az 1k trimmer potméterrel állíthatjuk be e kívánt kimenő feszültséget. Ez általában 13,6V-nál optimális. (Ezzel a feszültséggel 12V-os akkumulátort is tölthetünk.) Az áramkör egyedi megoldása, mint már az előzőekben is említettem, a rövidzár, vagy túláram védelem megoldása. A szabályzó panelen átvezetett „+” ágba 3mm átmérőjű réz huzalból egy menetet forrasszunk be, amelybe egy, lehetőleg a legkisebb reed csövet tegyük bele, mert annak meghúzásához kisebb mágneses mező is elegendő. Nagyobb, vastagabb cső esetén, ha nem húz meg a kívánt áramhatárnál, a tekercset 2 menetesre cseréljük ki. Ez biztos megoldást nyújt. Amikor a beállított áram-határértéket meghaladja a fogyasztói oldal, a reed cső meghúz és bekapcsolja a tirisztort. A tirisztor típusa lényegtelen, 0,1A-től 50V feszültségtől bármely típus megfelel. Az áramhatárolás beállítása kis türelmet igényel. A megépített, felélesztett panelon először terhelés nélkül állítsuk be az 1k trimmerrel a kívánt kimenő feszültséget. Ez után adjunk rá 20-22A terhelést. A terhelés mellett addig toljuk az 1 menetes tekercsbe a reed csövet, amíg nem húz meg. A meghúzás pillanatában a csövet stabilan rögzítsük. Reset ismételt megnyomása után működőképes a tápegységünk. A vezérlő panel „+” ágában lévő vastag paneldarabra teljes hosszban szintén a kisebb veszteség érdekében forrasszunk 2-3 darab, 1mm átmérőjű réz vezetőt és a cinnel jól futtassuk át.

Alkatrész beültetés a vezérlőegység panelon Ha van rá lehetőségünk, és kívánalmunk, a kimenő áramot érzékeny műszerrel mérni tudjuk az 1 menetes tekercs két végéhez csatlakoztatott műszerrel. (50-100 µA alapérzékenységűvel) Ha érzéketlenebb műszerünk van, akkor vagy sönt ellenállás közbeiktatása szükséges a

vezérlő panel + vezetőjének megszakításával, vagy az 1 menetes tekercset nagyobb ellenállást adó, rézzel bevont vas huzalból készítsük el. A vezérlőegységben használt félvezetők típusa nem kritikus. A megépített és mérten jól működő tápegységben használt tirisztor típus pl.: TO 0,8N100 (Tunsgram gyártmány). Kisebb áramértékek stabilizálásakor a „+” ágban lévő mágnesező tekercs méretezésénél vegyük figyelembe, hogy a kis méretű reed csövek kapcsolásához gyártótól függően 10-14 ampermenet szükséges. Ezért a 20A áramhatárolásnál alkalmazott 1 menetes tekercset 3A áramhatárolásnál 4 menetre kell növelni. Az összes többi alkatrészt változatlanul hagyhatjuk. A vezérlő RF szempontból különben nem érzékeny. Fontos, hogy a hálózati transzformátorunk megfelelő teljesítményre legyen képes. A transzformátort lehet hagyományos lemezmagosra is tekercselni, de kisebb súlyt és kisebb térfogatot igényel a hypersil mag. Sajnos a könnyen beszerezhető SM sorozatból legnagyobb teljesítményű SM102b terhelhetősége a 301 wattjával alatta van a számítottnak. A 2xSE 130a terhelhetőségéből mintegy 20W hiányzik. Amelyek szóba jöhetnek, 2xSE 130b (480W), 2xSG 127/25, kompromisszummal a 2xSG 108/38 típusok. A menetszámokat természetesen a rendelkezésre álló magok határozzák meg. A huzalok átmérői típus függetlenek, a primerhez 1mm, a szekunderhez 3,3mm átmérőjű huzal kell. A megépítéshez sok sikert kívánok! Szakmai tanácsokat a [email protected] címen szívesen megadom.