Obsah Zadání Parametry zdroje Použití zdroje Popis funkce elektrických částí Popis mechanické konstrukce Návrh chladiče Rozpiska součástek
................... ................... ................... ................... ................... .................... ...................
1 1 1 2 3 4 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 Zatěžovací proud Prodová pojistka - nastavitelná Rozměry Napájení Příkon Výstupní zvlnění Teplotní ochrana výkonového stupně
0 - 36V max 2A 5 mA - 2A 160x120x205mm 220V / 50Hz max 100W max 5mV 60 ± 5 °C
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
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
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 R2 R3 R4 R5 R6 R7
3k3 / 3W 5% 390R 1% 0.6W 390R 1% 0.6W 10k 1% 0.6W 10R 1% 0.6W 1k 1% 0.6W 2k2 1% 0.6W
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7
5m / 50V 5m / 50V 470µ / 35V 470µ / 35V 100µ / 16V 100µ / 16V 150p
transformátor toroidní 100W 21V/3.25A, 9V/2.25A, 2x15V/0.15A eurokonektor + filtr 250V/2.5A 9nF + 2x 460µH + 2x3.2nF PO1, PO2
T 1A
R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28 R29 R30 R31 R32 R33 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40
3k9 1% 0.6W 3k9 1% 0.6W 2k2 1% 0.6W 3k3 1% 0.6W 3k3 1% 0.6W 470R 1% 0.6W 1k 1% 0.6W 1k5 1% 0.6W 1k 1% 0.6W 100R 1% 0.6W 100R 1% 0.6W 1k 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 2R7 1% 0.6W 15k 1% 0.6W 3k9 1% 0.6W 8k2 1% 0.6W 10M 1% 0.6W 100k 1% 0.6W 100k 1% 0.6W 1M 1% 0.6W 1M 1% 0.6W 820k 1% 0.6W 100k 1% 0.6W 47k 1% 0.6W 1 1% 0.6W 1k 1% 0.6W 2k4 1% 0.6W 100R 1% 0.6W
C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17
1n 27p 4n7 22µ / 50V 10n 100p 100n / 63V MKT 470n / 63V MKT 220n / 63V MKT 20µ / 15V
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11
ZD 12V / 1.3W ZD 12V / 1.3W KA261 LED 5mm RED ZD 5V6 / 0.4W ZD 3V3 / 0.4W KA261 KA261 1N5402 ZD 4V7 / 0.4W ZD 4V7 / 0.4W
T1 T2 T3 T4 T5 T6
KD139 KD503 KD503 KC239B KC239B KC239B
IO1 IO2 IO3 IO4
MAA723 MA748 4030 ICL7106
2x pojistkový držák panelový síťový vypínač kolíbkový páčkový přepínač dvojnásobný držák LED 5mm panelový zdířka panelová červená zdířka panelová černá zdířka panelová celokovová 3ks knoflík 5mm chladič 2x TO3 chladič KD139 teplotní spínač J5A 23 60 ± 5 °C 2x slídová podložka TO3 slídová podložka KD139 slídová podložka J5A 23
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 24.4.1997 5 mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm
Novák Pavel
