Sursa de tensiune stabilizata 13.8V/22A
Power supply 13.8V/22A
(Articol publicat in revista Tehnium nr.1/1996)
Power supply 13.8V/22A
(Articol publicat in revista Tehnium nr.1/1996)
Alimentatorul prezentat este de tip liniar, cu element regulator serie. Cu toate ca un astfel
de echipament este mai simplu si mai usor de realizat decat unul in comutatie (prezentand tot odata
avantajul asigurarii unei stabilizari excelente, dublat de posibilitati remarcabile de filtrare a
tensiunii ondulatorii reziduale de intrare, nu trebuie scapat din vedere ca bilantul energetic conduce
la concluzia unui randament mediocru.
Din acest motiv, la alegerea solutiei este de dorit o optimizare, in sensul reducerii la maximum a pierderilor de putere inutile in circuitele de putere ale stabilizatorului, mai ales pentru valori ridicate ale curentului de sarcina.
Desi randamentul mediocru rezulta prin insasi conceptia stabilizatoarelor de tip liniar, este important sa se prevada un mod de reglare adecvat si o configuratie optima a circuitelor, fiind astfel posibila obtinerea tensiunii stabilizate la un randament convenabil pentru aplicatia concreta.
In acest sens, in proiectarea si realizarea aparatului, a carui schema electrica este prezentata in fifura 1, am optat pentru o varianta care prezinta urmatoarele particularitati:
Schema permite montarea tuturor elementelor care disipa caldura, direct pe un radiator
comun (peretii verticali ai unui sasiu monobloc din aluminiu), fara foite izolatoare,
avantajul fiind un transfer termic optim, evitandu-se rezistentele termice suplimentare.
Configuratia asigura o buna stabilizare a tensiunii de iesire in conditiile unor caderi de tensiune
destul de mici pe elementul regulator serie, astfel ca si in domeniul curentilor de sarcina mari,
tranzistoarele de putere se afla intotdeauna in aria de siguranta a caracteristicilor, fiabilitatea
fiind asigurata pentru gabarite convenabile ale radiatoarelor de caldura.
Din acest motiv, la alegerea solutiei este de dorit o optimizare, in sensul reducerii la maximum a pierderilor de putere inutile in circuitele de putere ale stabilizatorului, mai ales pentru valori ridicate ale curentului de sarcina.
Desi randamentul mediocru rezulta prin insasi conceptia stabilizatoarelor de tip liniar, este important sa se prevada un mod de reglare adecvat si o configuratie optima a circuitelor, fiind astfel posibila obtinerea tensiunii stabilizate la un randament convenabil pentru aplicatia concreta.
In acest sens, in proiectarea si realizarea aparatului, a carui schema electrica este prezentata in fifura 1, am optat pentru o varianta care prezinta urmatoarele particularitati:
- Sunt prevazute circuite de protectie sigura la suprasarcina, la scurtcircuit si la supratensiune. Pentru suprasarcini periculoase (scurtcircuite), se asigura blocarea completa a stabilizatorului, deblocarea fiind posibila prin rearmare manuala (butonul cu revenire "SET"), fiind astfel evitata suprasolicitarea in putere a tranzistoarelor elementului regulator. De altfel, comanda "SET" este necesara la fiecare punere in functiune a aparatului, dupa cuplarea intrerupatorului de retea.
- Este evitata rezistenta de putere strabatuta de curentul de sarcina folosita in mod curent ca traductor pentru protectia la suprasarcina, rolul acesteia fiind preluat de catre rezistentele de egalizare a curentilor prin tranzistoarele de putere cuplate in paralel, protectia fiind asigurata la depasirea curentului prin oricare din cele sase tranzistoare de putere.
- Schema de redresare este cu punct median, astfel ca in sarcina, caderea de tensiune totala pe redresor va fi mai mica decat in varianta utilizarii unui montaj in punte.
- Pentru controlul parametrilor de iesire, este prevazut un instrument analogic, care permite masurarea tensiunii si a curentului de sarcina, functiile ampermetru-volmetru selectandu-se printr-un comutator cu pozitie de zero. Pentru pozitia de masurare a tensiunii s-a prevazut o schema de voltmetru diferential lucrand intr-un domeniu ingust (cel care intereseaza), extensia scalei conducand la marirea considerabila a rezolutiei.
Redresorul
Tensiunea dubla necesara redresorului de tipul cu punct median, se obtine din transformatorul Tr.1, dimensionat pentru o putere aparenta de de 450VA. Miezul magnetic din tole de ferosiliciu E25+I25 are o sectiune de 25 cmp. Primarul contine 440 spire CuEm fi 0.95, iar secundaeul 2x36 spire CuBB fi 2.4.
Sunt prevazute sigurante fuzibile, atat in primar cat si in secundar (F1-3A si F2-30A). Tensiunea redresata cu diodele D1 si D2 este filtrata cu condensatorul C3.
Pentru a fi posibila montarea pe radiatorul comun, fara izolatoare de mica, am optat pentru utilizarea diodelor gata incapsulate in punti de tip 20PM4, care au in componenta diode de tip RAG izolate fata de capsula metalica si protejate intr-o rasina epoxidica. Fiecare din diodele D1 si D2 care apar in schema din figura 1, se obtin prin legarea in paralel a cate trei diode RAG din puntile mentionate, astfel ca vor fi necesare trei dispozitive conectate ca in schema din figura 2.
Tensiunea dubla necesara redresorului de tipul cu punct median, se obtine din transformatorul Tr.1, dimensionat pentru o putere aparenta de de 450VA. Miezul magnetic din tole de ferosiliciu E25+I25 are o sectiune de 25 cmp. Primarul contine 440 spire CuEm fi 0.95, iar secundaeul 2x36 spire CuBB fi 2.4.
Sunt prevazute sigurante fuzibile, atat in primar cat si in secundar (F1-3A si F2-30A). Tensiunea redresata cu diodele D1 si D2 este filtrata cu condensatorul C3.
Pentru a fi posibila montarea pe radiatorul comun, fara izolatoare de mica, am optat pentru utilizarea diodelor gata incapsulate in punti de tip 20PM4, care au in componenta diode de tip RAG izolate fata de capsula metalica si protejate intr-o rasina epoxidica. Fiecare din diodele D1 si D2 care apar in schema din figura 1, se obtin prin legarea in paralel a cate trei diode RAG din puntile mentionate, astfel ca vor fi necesare trei dispozitive conectate ca in schema din figura 2.
Se pot folosi si diode valide din punti partial defecte, executand conexiunile externe corespunzatoare.
Solutia prezinta avantajul montarii foarte comode, cu suruburi M6 stranse corespunzator pentru asigurarea unui transfer termic optim, transfer care se imbunatateste prin utilizarea la interfata a unei paste cu proprietati termoconductoare (ulei siliconic cu pudra de alumina).
Desi pare exagerata, aceasta supradimensionare mareste considerabil fiabilitatea si totodata permite eliminarea rezistentei de limitare a curentului de incarcare a condensatorului de filtraj C3 care are o capacitate destul de mare.
Se pot utiliza in mod analog si numai doua punti 20PM4, dar in acest caz se recomanda inserierea spre condensatorul C3, a unei rezistente de 0.08-0.1 Ohm/30A.
STABILIZATORUL DE TENSIUNE
Schema este clasica, dar prezinta unele particularitati in alcatuirea elementului regulator serie si a circuitului de pornire.
Avand in vedere cerintele de putere, se folosesc doua grupuri de cate trei tranzistoare in paralel (T1-T3 si T5-T7), emitoarele avand inseriate rezistentele de egalizare R1-R3 si respectiv R4-R6. Grupul T1-T3 este comandat de T4, formandu-se astfel un tranzistor echivalent Darlington, iar grupul T5-T7 formeaza cu T8 o configuratie identica. Ambele grupuri astfel formate, se leaga in paralel. Tranzistoarele T4 si T8 care apar astfel legate in paralel, au in emitoare rezistentele R7 si R8, care, fiind plasate spre jonctiunile BE ale tranzistoarelor comandate (T1-T3 si T5-T7), au un rol important in stabilitatea termica a montajului. Fiecare din rezisrentele R1-R6 sunt alcatuite la randul lor din cate 4 rezistente de 0.62ohm/3W legate in paralel, astfel ca acestea nu se incalzesc deloc in timpul functionarii. Rezistentele R7 si R8 sunt formate fiecare din cate trei rezistente de 150ohm/0.5W, care sunt amplasate fizic cate una in baza fiecaruia din tranzistoarele T1-T3, T5-T7, rezultand astfel rezistentele echivalente de 50ohmi.
Din necesitatea montarii tranzistoarelor elementului regulator direct pe radiator, fara izolatii de mica, precum si pentru a folosi tranzistoare de putere NPN fiabile si ieftine (2N3055), acestea sunt plasate pe bara negativa a tensiunii redresate, iar condensatorul de filtraj C3, izolat de sasiu, este montat pe o placa de pertinax. Configuratia impune necesitatea unui circuit de pornire care sa fie operativ indiferent daca stabilizatorul este in gol sau in sarcina.
Schema este clasica, dar prezinta unele particularitati in alcatuirea elementului regulator serie si a circuitului de pornire.
Avand in vedere cerintele de putere, se folosesc doua grupuri de cate trei tranzistoare in paralel (T1-T3 si T5-T7), emitoarele avand inseriate rezistentele de egalizare R1-R3 si respectiv R4-R6. Grupul T1-T3 este comandat de T4, formandu-se astfel un tranzistor echivalent Darlington, iar grupul T5-T7 formeaza cu T8 o configuratie identica. Ambele grupuri astfel formate, se leaga in paralel. Tranzistoarele T4 si T8 care apar astfel legate in paralel, au in emitoare rezistentele R7 si R8, care, fiind plasate spre jonctiunile BE ale tranzistoarelor comandate (T1-T3 si T5-T7), au un rol important in stabilitatea termica a montajului. Fiecare din rezisrentele R1-R6 sunt alcatuite la randul lor din cate 4 rezistente de 0.62ohm/3W legate in paralel, astfel ca acestea nu se incalzesc deloc in timpul functionarii. Rezistentele R7 si R8 sunt formate fiecare din cate trei rezistente de 150ohm/0.5W, care sunt amplasate fizic cate una in baza fiecaruia din tranzistoarele T1-T3, T5-T7, rezultand astfel rezistentele echivalente de 50ohmi.
Din necesitatea montarii tranzistoarelor elementului regulator direct pe radiator, fara izolatii de mica, precum si pentru a folosi tranzistoare de putere NPN fiabile si ieftine (2N3055), acestea sunt plasate pe bara negativa a tensiunii redresate, iar condensatorul de filtraj C3, izolat de sasiu, este montat pe o placa de pertinax. Configuratia impune necesitatea unui circuit de pornire care sa fie operativ indiferent daca stabilizatorul este in gol sau in sarcina.
In schemele uzuale,pornirea este asigurata printr-o rezistenta-sunt plasata in paralel cu elementul regulator (intre colector si emitor). Desi solutia prezinta avantajul ca rezistenta-sunt preia o parte din puterea disipata de tranzistoare, am evitat folosirea ei in aplicatia de fata, datorita supratensiunilor care apar la iesire, atunci cand aparatul functioneaza pe sarcini mici sau in gol.
Solutia adoptata aici asigura existenta la iesire a tensiunii stabilizate nominale indiferent de sarcina (inclusiv in gol), si consta in polarizarea initiala suplimentara a diodei zenner de referinta (D4) din tensiunea nestabilizata, printr-o rezistenta (R17), polarizare care se produce la apasarea butonului "SET", avand ca efect pornirea sigura a stabilizatorului.
Utilizarea acestui buton este optionala, el se poate sunta cu un strap, renumtand la serviciile lui, si in acest caz pornirea se face automat fara interventia utilizatorului, in schimb nu mai putem beneficia de un avantaj important al circuitelor de protectie, acela de a anula complet puterea disipata de elementul regulator in caz de scurtcircuit pe iesire. (Va avea loc numai o limitare de curent, datorita repornirii automate).
Polarizarea suplimentara cu rezistenta R17 nu afecteaza sensibil factorul de stabilizare, intrucat curentul principal al referintei D4 provine din tensiunea stabilizata prin intermediul rezistentei R20 de valoare mult mai mica decat R17 (cu un ordin de marime). In rest, schema este clasica, mecanismul stabilizarii cunoscut, nu mai necesita comentarii.
PROTECTII LA SUPRACURENT
La consum normal, caderile de tensiune pe rezistentele R1-R6 sunt suficient de mici pentru a mentine blocate tranzistoarele de protectie T11-T16, astfel ca stabilizatorul functioneaza normal. In cazul unor suprasarcini, caderile de tensiune pe aceste rezistente provoaca deschiderea tranzistoarelor de protectie T11-T16, care vor sunta rezistenta R9.
Tranzistoarele T1-T8 tind sa se blocheze datorita micsorarii curentului de comanda care intra in bazele tranzistoarelor T4 si T8. (Curentul de colector al lui T9 este deviat prin tranzistoarele T11-T16). Se asigura astfel limitarea curentului de sarcina. La suprasarcini mari sau scurtcircuite, curentii prin T1-T8 se anuleaza, stabilizatorul se blocheaza, asigurandu-se astfel limitarea (si chiar anularea) puterii disipate de elementul regulator.
In plus, la un scurtcircuit net pe iesire, procesul de blocare este accelerat de absenta curentului de comanda furnizat de T9, datorita anularii curentului prin dioda zenner D4, deci protectia actioneaza pe doua cai.
Datorita configuratiei "SAU" a circuitului tranzistoarelor T11-T16, deschiderea oricaruia dintre acestea provoaca blocarea tuturor tranzistoarelor T1-T8.
PROTECTIA LA SUPRATENSIUNE
Cand tensiunea de iesire atinge pragul de 15.1V, deschiderea diodelor zenner D6 si D7 permite aparitia unei caderi de tensiune pe R23 suficient de mari pentru deschiderea lui T11. Grila tiristorului Th1 se pozitiveaza in raport cu catodul, astfel ca acesta se deschide si pune in scurtcircuit iesirea stabilizatorului. Acesta se blocheaza datorita circuitelor de protectie la scurtcircuit, prin mecanismul descris anterior.
La consum normal, caderile de tensiune pe rezistentele R1-R6 sunt suficient de mici pentru a mentine blocate tranzistoarele de protectie T11-T16, astfel ca stabilizatorul functioneaza normal. In cazul unor suprasarcini, caderile de tensiune pe aceste rezistente provoaca deschiderea tranzistoarelor de protectie T11-T16, care vor sunta rezistenta R9.
Tranzistoarele T1-T8 tind sa se blocheze datorita micsorarii curentului de comanda care intra in bazele tranzistoarelor T4 si T8. (Curentul de colector al lui T9 este deviat prin tranzistoarele T11-T16). Se asigura astfel limitarea curentului de sarcina. La suprasarcini mari sau scurtcircuite, curentii prin T1-T8 se anuleaza, stabilizatorul se blocheaza, asigurandu-se astfel limitarea (si chiar anularea) puterii disipate de elementul regulator.
In plus, la un scurtcircuit net pe iesire, procesul de blocare este accelerat de absenta curentului de comanda furnizat de T9, datorita anularii curentului prin dioda zenner D4, deci protectia actioneaza pe doua cai.
Datorita configuratiei "SAU" a circuitului tranzistoarelor T11-T16, deschiderea oricaruia dintre acestea provoaca blocarea tuturor tranzistoarelor T1-T8.
PROTECTIA LA SUPRATENSIUNE
Cand tensiunea de iesire atinge pragul de 15.1V, deschiderea diodelor zenner D6 si D7 permite aparitia unei caderi de tensiune pe R23 suficient de mari pentru deschiderea lui T11. Grila tiristorului Th1 se pozitiveaza in raport cu catodul, astfel ca acesta se deschide si pune in scurtcircuit iesirea stabilizatorului. Acesta se blocheaza datorita circuitelor de protectie la scurtcircuit, prin mecanismul descris anterior.
CIRCUITUL DE MASURA
S-a proiectat pornind de la instrumentul disponibil - un miliampermetru (nepretentios) avand cap de scala 10mAla 75mV.
Pe pozitia "Ampermetru" a comutatorului K2, pe instrument se aplica o cadere de tensiune proportionala cu consumul, culeasa de pe suntul Sh1, confectionat din manganina, care furnizeaza 75mV cand este strabatut de 30A.
Pe pozitia "Voltmetru", instrumentul inseriat cu rezistenta aditionala R30-R31 se conecteaza pe diagonala unei punti formate din elementele D8,R27,R28,R29. In acest fel "zero-ul" instrumentului este deplasat electric la 10V, iar capul de scala este 16V, scala completa acoperind un domeniu de 6V.
Valoarea exacta a lui R30 se stabileste pentru o indicatie cap de scala de 6V. Apoi grupul astfel format si etalonat se leaga pe diagonala puntii mentionate, urmarind comportarea liniara in domeniul 10-16V. Dioda D9 protejeaza instrumentul la polarizare inversa, cand tensiunea de iesire a stabilizatorului este mai mica de 10V. Aceasta situatie de regim tranzitoriu apare la deconectarea aparatului pe sarcini mici, cand tensiunea la iesire scade lent pana la descarcarea completa a condensatoarelor C3 si C4.
Scalele instrumentului se traseaza conform desenului din figura 3, cu diviziuni echidistante. Daca se dispune de un instrument mai sensibil (de exemplu 1mA), valorile rezistentelor din divizorul R28-R29 pot fi mult marite, micsorandu-se corespunzator puterea disipata de acestea. Curentul prin divizor, insa, trebuie sa fie intotdeauna mult mai mare decat curentul prin instrument. Oricum, fata de curentul nominal debitat de aparat (22A), curentul prin acest divizor poate fi considerat neglijabil.
S-a proiectat pornind de la instrumentul disponibil - un miliampermetru (nepretentios) avand cap de scala 10mAla 75mV.
Pe pozitia "Ampermetru" a comutatorului K2, pe instrument se aplica o cadere de tensiune proportionala cu consumul, culeasa de pe suntul Sh1, confectionat din manganina, care furnizeaza 75mV cand este strabatut de 30A.
Pe pozitia "Voltmetru", instrumentul inseriat cu rezistenta aditionala R30-R31 se conecteaza pe diagonala unei punti formate din elementele D8,R27,R28,R29. In acest fel "zero-ul" instrumentului este deplasat electric la 10V, iar capul de scala este 16V, scala completa acoperind un domeniu de 6V.
Valoarea exacta a lui R30 se stabileste pentru o indicatie cap de scala de 6V. Apoi grupul astfel format si etalonat se leaga pe diagonala puntii mentionate, urmarind comportarea liniara in domeniul 10-16V. Dioda D9 protejeaza instrumentul la polarizare inversa, cand tensiunea de iesire a stabilizatorului este mai mica de 10V. Aceasta situatie de regim tranzitoriu apare la deconectarea aparatului pe sarcini mici, cand tensiunea la iesire scade lent pana la descarcarea completa a condensatoarelor C3 si C4.
Scalele instrumentului se traseaza conform desenului din figura 3, cu diviziuni echidistante. Daca se dispune de un instrument mai sensibil (de exemplu 1mA), valorile rezistentelor din divizorul R28-R29 pot fi mult marite, micsorandu-se corespunzator puterea disipata de acestea. Curentul prin divizor, insa, trebuie sa fie intotdeauna mult mai mare decat curentul prin instrument. Oricum, fata de curentul nominal debitat de aparat (22A), curentul prin acest divizor poate fi considerat neglijabil.
ELEMENTE DE CONSTRUCTIE
Sasiul aparatului este executat din tabala de aluminiu cu grosimea de 5mm; avand si rol de radiator. Componentele care necesita racire sunt distribuite uniform pe suprafetele peretilor verticali laterali (cele sase tranzistoare 2N3055) si posterior (puntile redresoare).
O placa imprimata, avand dimensiunile 85x75mm contine componentele din stabilizator si voltmetrul diferential si se executa conform desenului din figura 4. Circuitul de protectie la supratensiune si siguranta de retea (F1) sunt amplasate pe o placa imprimata cu dimensiunile 150x30, executata conform figurii 5.
Sasiul aparatului este executat din tabala de aluminiu cu grosimea de 5mm; avand si rol de radiator. Componentele care necesita racire sunt distribuite uniform pe suprafetele peretilor verticali laterali (cele sase tranzistoare 2N3055) si posterior (puntile redresoare).
O placa imprimata, avand dimensiunile 85x75mm contine componentele din stabilizator si voltmetrul diferential si se executa conform desenului din figura 4. Circuitul de protectie la supratensiune si siguranta de retea (F1) sunt amplasate pe o placa imprimata cu dimensiunile 150x30, executata conform figurii 5.
Conexiunile se executa cu conductoare flexibile cu izolatie din cauciuc siliconic, avand
sectiunile corespunzatoare curentilor vehiculati, configuratia respectand regulile
specifice electronicii de putere.
Orificiile de trecere pentru cablurile de retea si iesire sunt practiacate in panoul posterior. Cablurile sunt protejate contra eventualelor supratemperaturi ale radiatorului, prin presetupe din teflon.
Panoul frontal al aparatului contine intrerupatorul de retea, LED-ul de semnalizare, butonul cu revenire "SET" care actioneaza un microintrerupator tip H, comutatorul V/A si instrumentul de masura.
Orificiile de trecere pentru cablurile de retea si iesire sunt practiacate in panoul posterior. Cablurile sunt protejate contra eventualelor supratemperaturi ale radiatorului, prin presetupe din teflon.
Panoul frontal al aparatului contine intrerupatorul de retea, LED-ul de semnalizare, butonul cu revenire "SET" care actioneaza un microintrerupator tip H, comutatorul V/A si instrumentul de masura.
