Regulovatelný zdroj 0 – 35V s LT1038 Michal Slánský Už delší dobu se zabývám konstrukcí a návrhy lineárních napájecích zdrojů. I přes složité konstrukce, nedosahovaly zdroje velmi dobrých parametrů. Až po nahlédnutí do katalogového listu firmy Linear Technology, která vyrábí velmi kvalitní obvod LT1038 jsem dosáhl velmi kvalitních parametrů. Firma Linear Technology vyrábí velmi kvalitní integrované obvody, mezi které patří i LT1038. Zmiňovaný obvod nepatří mezi nejlevnější elektronické součástky, jeho cena se pohybuje okolo 500Kč, ale parametry kterých dosahuje zdaleka přesahují jeho cenu. LT1038 dokáže pracovat s proudy 10A do zátěže při výstupním napětí v rozsahu 0 – 35V. Při tak velkých proudech je nutné upevnit IO na dostatečně dimenzovaný chladič. Integrovaný obvod je vybaven proudovou pojistkou, která reaguje při překročení maximálního výstupního proudu, nebo při zkratu na výstupu. Tato pojistka odpojí IO na vstupu od napájení. Dále je IO vybaven teplenou pojistkou, která reaguje při tepelném přetížení. IO reaguje na teplotu 150OC. Tato ochrana se deaktivuje až při snížení teploty na dostatečnou mez. Situace, kdy dochází k aktivaci tepelné ochrany nastane pouze tehdy, jestliže máme malý chladič s velkým teplotním odporem. Nejlépe je použit chladič s tepelným odporem menším jak 1,5K/W, doplněný o ventilátor, který zajistí dodatečnou cirkulaci vzduchu mezi žebry chladiče. Integrovaný obvod a celkové zapojení má jeden nedostatek: při zkratu na vstupu může dojít k vybití kondenzátoru C11 na výstupu přes integrovaný obvod. To má za následek zničení drahého IO. Jednoduchým řešením je, že zapojíme anti-paralelně k IO diodu, která při případném zkratu přemostí IO a zachrání obvod. Zdroj prošel řadou testu, ve kterých ve velké míře zvítězil i nad stabilizátory jako je LM317, 78xx. Např. při testu, kdy bylo na výstupu nastaveno napětí 5V a zdroj byl zatížen proudem 1A, nepokleslo výstupní napětí pod 4,98V. Při stejných podmínkách s LM317T pokleslo napětí pod hranici 4,75V, což není přípustné např. pro logické obvody s architekturou TTL. Při velkém rozdílu vstupního a výstupního napětí nelze odebírat maximální proud 10A, protože by ztráty vyzářené v teplo byly neúměrné. Např. při UIN = 30V, UOUT = 2,5V a IOUT = 10A by se ztráty vyzářené v teplo pohybovaly přes 200W (UIN-UOUT/I ® 30,0V2,5V/10A ® PMAX=275W). Proto v zapojení je počítáno s dvěma sekundárními vinutími 15V. Pokud je na výstupu napětí do 15V, tak je připojeno první sekundární napětí. V případě že vzroste napětí nad 15V připojí se druhé sekundární napětí do série s prvním a na diodovém můstku se objeví součet jejich napětí, tedy 30V. Díky této volbě sekundárních vinutí je možno odebírat maximální proud při udržení tepelných ztrát v přijatelných mezích díky chladiči s nízkým tepelným odporem doplněným o ventilátor.
-1-
Celá konstrukce se skládá ze tří základních částí (výkonová, řídící a napájecí). Vstupní část zdroje je tvořena obvodem „Soft Start“ tvořeným RL2 a R1. Relé RL1 slouží k volbě sekundárního vinutí transformátoru pro změnu výstupního napětí dle nastavené regulace (řídí automatika s obvodem LM741 – přepnutí přibližně při 15V). Zdroj je dále tvořen usměrňovacím můstkem KBPC5002F, ochranou diodou D1, odrušovací a filtrační tlumivkou L1 (80µH/10A V32A10) a velkou filtrační kapacitou tvořenou kondenzátory C1-C4 (4 x 10 000µF). Regulace napětí je uskutečněna stejně jako u jiných stabilizátorů pomocí potenciometru připojeného k řídící elektrodě ADJ (PIN1). Aby bylo možno regulovat napětí od 0V, tak je zavedeno záporné napětí 1,25V na potenciometr P1. Díky tomu je posunuto referenční napětí na 0V. Jedná se o často používanou metodu snížení napětí vnitřní reference integrovaného obvodu. Jako napěťová reference je použit špičkový IO LT1004-1,25CZ. Jelikož je použit kvalitní stabilizátor, tak i napěťová reference od Linear Technology je dost kvalitní. Dále je zdroj vybaven obvodem pro „pomalý start“. Relé REL2 přemostí výkonový rezistor R1 po malém okamžiku, ve kterém se zpomaleně nabíjí kondenzátory C1 až C4. Dobu sepnutí lze nastavit trumfem P1 v řídící části zdroje. Dobu sepnutí nedoporučují výrazně prodlužovat z důvodu velkého tepelného zatěžování rezistoru R1. Teprve pak sepne relé REL3 a připojí napájení k obvodu LT1038. Opět lze nastavit časovou prodlevu sepnutí relé trumfem P2. Díky tomu se na výstupu neobjevují napěťové špičky způsobené prvotním nabíjením elektrolytických kondenzátorů. Časy sepnutí relé REL2 a REL3 lze ovlivnit odporovými trimry P1 a P2. Samotná regulace je provedena precizním 10-ti otáčkovým potenciometrem Spectrol, díky tomu lze nastavit požadované výstupní napětí co nejpřesněji. Na výstupu IO1 (výstup zdroje) je zapojen odpor R3, který má dvě funkce. První funkcí je vybití kondenzátoru C5 po vypnutí zdroje. Druhou podstatnější funkcí rezistoru R3 je vytvářet minimální zátěž (odběr proudu) z výstupu zdroje pro spolehlivou regulační a stabilizační funkci IO1. Dále doporučuji pro vlastní nastavení výstupního napětí zapojit voltmetr, popřípadě ampérmetr. Nejvhodnější je použít měřidla s integrovaným obvodem 7106, 7107. Na internetu a ve spoustě odborných časopisech je spousta zapojení s těmito obvody. Transformátor je použit TOROID 300VA. Toroidní transformátory jsou trvale zkratu vzdorné a nevytváří magnetické rušení jako je to běžné u transformátorů s EI jádry. Do primárního obvodu je vhodné zapojit výkonný termistor, který zamezí velkým startovacím proudům způsobených nabíjením velké filtrační kapacity 40 000mF a také díky velkým náběhovým proudům samotného toroidního transformátoru. Při samostatné stavbě zdroje nejprve zkontrolujeme desku plošných spojů na případné zkraty nebo špatně vyleptaná místa. Začneme osazovat od nejmenších součástek, jako jsou rezistory, drátové propojky a keramické kondenzátory. Tak postupujeme, až osadíme jako poslední elektrolytické kondenzátory a chladič usměrňovacího můstku.
-2-
Integrovaný obvod je nutno chladit a z toho důvodu je umístěn na chladič. V případě, že chceme spojit chladič se skříňkou zdroje, tak umístíme mezi IO a chladič slídovou podložku, kterou natřeme teplovodnou pastou pro lepší kontakt, nesmíme zapomenout, že samotné pouzdro IO je pod napětím a má funkci (PIN3 – VOUT). Po zapojení a očištění DPS zkontrolujeme, zda jsme při pájení nevytvořili místní zkraty, nebo cínové můstky. Na závěr desku nalakujeme a necháme zaschnout. Při pečlivé práci a dodržení postupu by měl zdroj pracovat na první zapojení.
Typické zapojení LT1038 + výpočty (obr. 1, obr. 2)
Zapojení vývodu LT1038
Proudové omezení IO (obr. 4)
(obr. 3)
-3-
Elektrické charakteristiky LT1038
(tab. 1)
Vnitřní zapojení LT1038 (obr. 5)
-4-
Elektrické charakteristiky LT1004-1,25 (tab. 2)
Pouzdro LT1004-1,25 + Vnitřní zapojení obvodu (obr. 6, obr. 7)
-5-
schéma – výkonová část
schéma – řídící část
schéma – napájecí část
-6-
DPS – výkonová část (top)
DPS – výkonová část (bottom)
-7-
DPS – řídící část (top)
DPS – řídící část (bottom)
DPS – napájecí část (top)
DPS – napájecí část (bottom)
-8-
Seznam součástek Výkonová část:
Řídící část:
R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 C4 C5 D1 D2 D3 BR1 IO1 RL1 RL2 RL3 CHL1 L1 CONN1 CONN2 CONN3 CONN4 P1
R2 R3 R4 R5 R6 R7 P1 P2 C9 C10 C11 D1 D2 D3 D4 D5 D6 T1 T2 T3 Q1 Q2 Q3 IO1
30Ω/5W RRW5 750Ω / R0207 1k5Ω / R0207 4k7Ω / R0207 10000µF/63V 10000µF/63V 10000µF/63V 10000µF/63V 100µF/63V P600K P600K P600K KBPC5002F LT1038 Finder F4052-12 Finder F4052-12 Finder F4052-12 CHL255Y/40BLK 80µH/10A V32A10 CKK5/3 CKK5/3 CKK5/3 PSH02-06P 20kΩ / Spectrol 534
Napájecí část: R1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 BR1 CHL1 až 5 TR1 CONN1
47kΩ / R0207 4k7Ω / R0207 4k7Ω / R0207 560Ω / R0207 560Ω / R0207 560Ω / R0207 PT10LV 100kΩ PT10LV 100kΩ 100nF/50V ker. 220µF/35V 220µF/35V 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 1N4001 BC639 (TO92b) BC546B (TO92a) BC546B (TO92a) LED 5mm L53GT LED 5mm L53GT LED 5mm L53GT LM741
Všechny součástky a jejich označení vychází z katalogu firmy EZK 2005.
2k7Ω / R0207 1000µF/35V 1000µF/35V 100nF/50V ker. 100nF/50V ker. 100nF/50V ker. 100nF/50V ker. 100nF/50V ker. 100nF/50V ker. 7812 7818 7915 7815 LT1004-1,25 B250R (RB1F) D02-BLK (22K/W) ZTR42/14 (2X18V) ARK500/2SV (CZM5/2)
9
