Zasilacz laboratoryjny 0-30V 2mA-3A #1 – płytka zasilacza

Dziś na tapecie zasilacz, który mam wrażenie, ma każdy ;). Jest to znana od lata konstrukcja zwana też zasilaczem z Electronics-Lab, ze względu na stronę z projektem. Układ ma mnóstwo zwolenników (w większości Ci, którzy go posiadają i używają) oraz chyba taką samą ilość przeciwników (że to piekarnik, że przetwornice lepsze itd). No to zobaczmy ile wart jest taki zasilacz.

Schemat i zasada działania

Chyba pierwszą stroną, na której znalazł się opis tego układu, była wspomniana wcześniej Electronics-Lab. Chociaż ja po raz pierwszy zobaczyłem schemat wiele lat temu w Elektronice dla Wszystkich, w krótkim artykule będącym przedrukiem z Elektora. W obu przypadkach wygląda on tak:

Układ składa się z 3 pojedynczych wzmacniaczy operacyjnych – U1 to stabilizator napięcia potencjometrów regulacyjnych. U2 odpowiedzialny jest za regulację napięcia wyjściowego, to on wysterowuje tranzystor mocy Q4 za pośrednictwem Q2. Wzmacniacz operacyjny U3 jest układem ograniczenia prądowego. Prócz tego, jest jeszcze prosty zasilacz napięcia ujemnego stabilizowanego przez D7. Potencjometr RV1 umożliwia ustawienia minimalnego dodatniego napięcia wyjściowego 0V. Układ ze strony Electronics-lab wygląda jak niżej. Płytka jest dosyć spora, do tego oldschool’owy, leżący elektrolit filtrujący.

Układ doczekał się wielu wariacji, które bez trudu można znaleźć w internecie, a każda publikacja wywołuje sporą dyskusję. Modyfikacje polegają na zwiększeniu prądu wyjściowego (zmiana R7 na mniejszy, użycie dwóch tranzystorów wyjściowych), dodanie potencjometrów do regulacji precyzyjnej, dodanie przełącznika uzwojeń transformatora, w celu ograniczenia moc strat itp.

Budować od zera, czy kupić zestaw do montażu?

Przyszedł czas i na ten zasilacz, tzn. został sklonowany przez chińczyków i za naprawdę niewielkie pieniądze można nabyć gotowy kit (w sensie zestaw do zmontowania, a nie bubel ;)) z profesjonalnie wykonaną płytką drukowaną. To ostatnie nakłoniło mnie do zakupów w Azji. Poniżej linki do popularnych serwisów zakupowych, także każdy znajdzie coś dla siebie:

• Gearbest ->Adjustable DC Regulated Power Supply DIY Kit (0 – 30V, 2mA – 3A)
• Banggood -> 0-30V 2mA – 3A Adjustable DC Regulated Power Supply Module DIY Kit
• Aliexpress -> 0-30V 2mA-3A DC Regulated Power Supply DIY Kit Continuously Adjustable Current Limiting Protection for school education lab

Obecnie najdrożej jest w Gearbest (~9$), później Banggood (~5$ tu kupowałem) i najtaniej na Aliexpress (~4$). Oczywiście dla kogoś, kto posiada jakieś punkty itd, najtaniej może wyjść tam, gdzie gotówkowo wychodzi najdrożej. Generalnie za 20 zł możemy mieć porządną płytkę i komplet elementów (chociaż tutaj z jakością może być różnie). W komentarzach na aliexpress ludzie trochę narzekają na dołączone do zestawu podzespoły. Moja paczuszka z Banggood wyglądała tak:

Ktoś nawet zadał sobie trud i powkładał wzmacniacze operacyjne w płytkę. Pewnie w celu uniknięcia powyginania nóżek.

Wybór należy do Ciebie – robisz sam płytkę, wytrawiasz, wiercisz itp, czy za 20 zł kupujesz gotowe rozwiązanie do montażu.

Montujemy zasilacz Electronics Lab

Tradycyjnie, składnie warto zacząć od rewizji elementów i płytki pod kątem jakościowym i ilościowym:

A to elementy:

Dostarczone części sprawiają dobre wrażenie. Tranzystor wyjściowy 2SD1047 (o ile nie jest podjebką) posiada dopuszczalny prąd 12A, napięcie 140V i moc strat aż 100W. Testerem podzespołów zmierzyłem kondensatory i główny elektrolit który ma nominalnie 3300µF, dał wynik 3200µF oraz przyzwoite ESR. Jeśli ktoś zamierza pracować z prądami powyżej 2A, polecam wymienić ten kondensator na większy, np 4700µF czy nawet 5600µF.

Zmiany, które postanowiłem zrobić (utrudnić sobie życie ;)) to:

• zastosowanie rezystorów z zapasów, głównie z odzysku,
• zamiast jednoobrotowych potencjometrów, zastosowanie wieloobrotowych, by precyzyjniej ustawiać napięcie i prąd,
• tranzystor wyjściowy i pośredni będą montowane za pomocą złącza śrubowego i goldpinów (w celu łatwej wymiany)
• zamiast stabilizatora LM7824 zostanie zamontowana mała przetwornica impulsowa 12V
• pod wzmacniacze operacyjne zastosuję podstawki

Wraz z zakupionym zestawem nie otrzymałem schematu, ani innej instrukcji. Generalnie nie jest ona potrzebna, bo na płytce nie ma podanej numeracji elementów a ich wartości. Mimo tego, Banggood udostępnia pdfa z opisem montażu -> Instruction of Installation of 0-30V Stabilized Voltage Supply.

Montaż rozpoczynam od rezystorów małej mocy i diod:

Później trochę większe elementy:

I prawie koniec:

Został jeszcze montaż przetwornicy napięcia w miejsce stabilizatora, zamiast tranzystora końcowego 2SD1047 złącze ARK i goldpiny w miejsce 2SD882, stabilizatora LM7824, diody LED.

Uruchomienie zasilacza 0-30V 2mA-3A

Przed ostatecznym zamontowaniem całości w obudowie, warto sprawdzić poprawność działania na biurku. W tym celu podłączyłem prowizorycznie tranzystory, potencjometry regulacyjne, diodę LED sygnalizującą stabilizację prądu i transformator. Ten ostatni to w moim przypadku toroid o mocy 80W i nominalnym napięciu wyjściowym 24V, a w praktyce 27,5V bez obciążenia.

Miałem szczęście (pomogła pewnie skrupulatność przy montażu) i mój zasilacz ruszył bez problemu. Po włączeniu mignęła dioda LED, potencjometry miałem skręcone na minimum i napięcie wyjściowe wynosiło 0V. Nic nie wybuchło, nic nie dymiło, wykonałem więc dwa obroty potencjometrem od regulacji prądu i zacząłem kręcić drugim, napięcie wyjściowe wzrastało, więc ta część działa. W moim egzemplarzu regulacja napięcia jest możliwa w zakresie 0V do 32V.

Potencjometrem wieloobrotowym 100k na pcb, ustawiłem minimalne napięcie wyjściowe na wartość 0,001V. Ważne, żeby nie była to wartość ujemna!

W celu sprawdzenia stabilizacji prądu, podłączyłem do wyjścia obciążenie w postaci żarówki H7 12V/55V i szeregowo multimetr ustawiony na pomiar prądu. Przy prądzie 3A napięcie wynosiło około 8,5V, tranzystor wyjściowy zagrzał się do 70ºC, ale cały układ przeżył.

W takiej konfiguracji moc strat wynosiła około 60W. Skąd tak wartość? Od napięcia na głównym elektrolicie 3300uF odjąłem napięcie wyjściowe i pomnożyłem przez prąd wyjściowy:

Stabilizacja prądu również działa prawidłowo :). To teraz test na wytrzymałość prądową. Ustawiłem napięcie 20V i prąd 3A, do wyjścia wpiąłem obciążenie aktywne.

W moim zasilaczu przy potencjometrze regulacji prądu ustawionym namaksa w prawo, ograniczenie prądu zaczynało działać przy wartości 3,8A, czyli R18 powinien mieć większą rezystancję ~60kΩ zamiast 56kΩ.

Podsumowanie

Chiński klon zasilacza z Electronics-lab działa całkiem przyzwoicie. Jak wspomniałem wyżej, elektrolit 3300µF warto wymienić na większy. Tranzystor wyjściowy bezwarunkowo wymaga ogromnego radiatora, lub radiatora z wentylatorem.

Stabilizacja napięcia działa bardzo dobrze, po obciążeniu 3A napięcie na wyjściu spada o 10mV, pewnie ze względu na spadki napięć na ścieżkach płytki. Trochę gorzej jest ze stabilizacją prądu – na granicy zadziałania napięcie wyjściowe zaczyna oscylować, co objawia się słabszym świeceniem diody sygnalizacyjnej. Mimo tego testy z ładowaniem akumulatora stałym prądem 1A wypadły bardzo dobrze, od 11V do 15V ustawiona wartość była trzymana stabilnie.

Z uwagi na dużą moc traconą przy niższych napięciach, faktycznie świetnym rozwiązaniem jest przełączanie uzwojeń transformatora lub montaż dwóch tranzystorów wyjściowych.

Chińczycy zastosowali w układzie kosmetyczne zmiany, np. zamiast diody Zenera 5V6 w układzie zasilania potencjometrów, zastosowano 5V1 co wymusiło zmianę wzmocnienia we wzmacniaczu operacyjnym stabilizacji napięcia. Tranzystor 2SD882 przez cały czas pracy zasilacza pozostawał praktycznie zimny, jednak jego montaż poza płytką drukowaną znacznie ułatwi ewentualną wymianę w razie przebicia.

Kolejny, drugi etap, to budowa miernika prądu i napięcia, skorzystam tu ze znanych rozwiązań na atmega8 z wyświetlaczem LCD 2×16. W ostatniej części wrzucę relację z montażu całości w obudowie.