Николай Петрушов

Релейный коммутатор обмоток трансформатора лабораторных источников питания.

Лабораторный источник питания для радиолюбителя является первостепенной и неотъемлемой частью радиолюбительской лаборатории. Каждый решает для себя сам - купить такой источник, или собрать его самому.
Конечно, хочется иметь в своей лаборатории источник питания с широкой регулировкой напряжения, вольт эдак до 50, и конечно с током нагрузки, желательно не менее 5 ампер.
Промышленные источники питания с такими характеристиками для рядового радиолюбителя просто не доступны, и остаётся единственный путь - изготовить такой источник самому. Но при самостоятельном изготовлении источника питания с такими характеристиками, приходится решать ряд проблем, одной из которых самой главной, является его КПД во всём диапазоне выходных напряжений.

Дело в том, что при максимальном выходном напряжении источника питания в 50 вольт, и при установке выходного напряжения, например 5 вольт и токе нагрузке 5 ампер - на выходных транзисторах будет выделяться бесполезная мощность 225 ватт. То есть КПД источника в таком режиме будет до безобразия мал.
Решить такую проблему можно разными способами, например коммутацией вторичных обмоток силового трансформатора, или сделать источник питания импульсным, или собрать импульсный пред-регулятор. Но как показала личная практика - хороший лабораторный источник питания не должен иметь ни каких импульсных каскадов и быть чисто, только линейным. Для каких либо цифровых, или не ответственных схем, вполне может подойти и импульсный источник питания, а вот для наладки какой либо приёмной аппаратуры - только линейный.
Поэтому в линейных промышленных источниках питания пошли по первому пути, где вторичная силовая обмотка трансформатора имеет несколько отводов и коммутируется двумя-тремя реле.
Эти меры частично решают данную проблему и значительно повышают КПД источника питания.
Ещё более улучшить его КПД и уменьшить нагрев выходных транзисторов, можно увеличением количества отводов силовой обмотки трансформатора и, например установки галетного переключателя, как сделано в блоке питания, схема которого обозначена на рисунке ниже. Одно неудобство - увеличивается количество органов регулировки и установки выходного напряжения.

Чтобы избавиться от этого недостатка - была разработана схема блока переключения обмоток трансформатора на реле, представленная ниже.

Вашему вниманию предлагается блок переключения обмоток трансформатора для лабораторных источников питания, который выполнен всего на трёх реле, и который переключает вторичные обмотки силового трансформатора с шагом в 5 вольт, и имеет восемь ступеней регулировки выходного напряжения.

Блок переключения меняет напряжение с трансформатора на входе блока питания ступенями по пять вольт, от 10 до 45 вольт в зависимости от выходного напряжения блока питания. При этом напряжение на конденсаторах фильтра будет около 63 вольт и максимальное выходное напряжение блока питания может достигать 50 вольт. Поэтому конденсаторы фильтра блока питания желательно применять на напряжение 80 вольт. Вы вполне сами можете изменить максимальное выходное напряжение с трансформатора и напряжение ступеней регулирования под свои нужды. Например начальную обмотку сделать на 6-7 вольт, и ступени изменения оставить по 5 вольт. Тогда максимальное переменное напряжение, подаваемое на мост - составит 41-42 вольта (напряжение на конденсаторах фильтра будет в районе 59-60 вольт). Конденсаторы фильтра в таком случае можно будет поставить на рабочее напряжение 63 вольт.
Схема блока собрана на 13-ти транзисторах и одной микросхеме. При кажущейся сложности схемы, она довольно простая, и при правильной сборке не требует никакого налаживания, начинает работать сразу и работает надёжно.

Схема блока переключения обмоток трансформатора.

В схеме применены реле на рабочее напряжение 12 вольт. Контакты реле на схеме трансформатора, обозначены в исходном положении (все реле обесточены).
Можно применять реле на любые рабочие напряжения, с коммутируемым током через контакты не менее 10 ампер. При использовании реле на другие рабочие напряжения, например на 24 вольта, необходимо будет вторичную обмотку силового трансформатора, которая питает данный блок (обмотка V), намотать на напряжение 17-18 вольт и стабилизатор 7805 желательно установить на небольшой радиатор.

Схема работает следующим образом;
Когда выходное напряжение блока питания не превышает 6,2 вольт, стабилитроны закрыты и все реле обесточены. На выпрямительный мост блока питания - подаётся переменное напряжение 10 вольт с первой части вторичной обмотки II силового трансформатора. При повышении выходного напряжения блока питания более 6,2 вольт, открывается стабилитрон ZD1, на вход микросхемы 1 (вывод 11) - подаётся логический ноль. Микросхема К555ИВ3 - является приоритетным шифратором (выше приоритет имеет вход с более высоким номером), и на выходе выдаёт двоичный код 1-2-4-8 в зависимости от того, на каком входе присутствует логический ноль. Самый высокий приоритет у входа 9 (вывод 10, мы его, вход 8 и выход 8 не используем), то есть если на этом входе логический ноль, то на выходе будет двоичный код девятки 1-0-0-1 (вернее 0-1-1-0, так как активный уровень микросхемы - логический ноль), в не зависимости от входных уровней на других входах. Поэтому после открывания стабилитрона ZD1 - срабатывает реле Р1 и переключает своими контактами обмотку II. Выходное напряжение с выхода трансформатора повышается на 5 вольт. При дальнейшем повышении выходного напряжения блока питания до уровня 12,4-12,6 вольт, открывается второй стабилитрон, на второй вход микросхемы К555ИВ3 (вывод 12) подаётся логический ноль и срабатывает реле Р2, а Р1 выключается (двоичный код двойки 0-1-0). К первой части обмотки II подключается обмотка III, и на выходе трансформатора переменное напряжение повышается ещё на 5 вольт. Ну и так далее, при повышении выходного напряжения блока питания - срабатывание всех реле происходит в двоичном коде. Пороги срабатывания выбраны следующие; 6,2 - 12,5 - 18,6 - 24,8 - 31 - 37,5 - 43,5 вольт и зависят от применённых стабилитронов.

Трансформатор блока питания.

Силовой трансформатор для применения с данным блоком, имеет три силовых обмотки. Намотать одну силовую обмотку с несколькими выводами, или три силовых обмотки - особой разницы нет, так как в основном трансформатор для своего источника питания, основная часть радиолюбителей изготавливает самостоятельно. Поэтому мотаем три обмотки, проводом рассчитанным на наш максимальный ток нагрузки. Первая на 15 вольт с отводом от 10-ти вольт (10+5), вторую на 10 вольт и третья на 20 вольт. Начало обмоток на схеме обозначены точками. Вы можете по своему усмотрению выбрать для себя необходимые напряжения и намотать свои обмотки, только необходимо помнить, что напряжение обмотки III должно быть в два раза больше второй части обмотки II, а напряжение обмотки IV - в два раза больше напряжения обмотки III.
Транзисторы в данном блоке переключения применены КТ315 и выходные КТ815. Вместо них можно ставить любые транзисторы соответствующей структуры и мощности.
Диоды, шунтирующие обмотки реле можно ставить абсолютно любые выпрямительные, на ток от 0,5 А и выше.
Блок собран на печатной плате - размером 55х70 мм. Печатная плата рассчитана без установки на неё реле, так как они могут применяться самые разнообразные. Реле установлены на отдельной плате.

Печатная плата блока переключения обмоток трансформатора.

Зарубежные аналоги для микросхемы К555ИВ3 - 74LS/HC/HCT 147. Стабилитроны можно ставить на необходимые Вам пороги переключений. Печатная плата разработана в формате Sprint-Layout 6.0 и изображена со стороны деталей. То есть при её изготовлении рисунок нужно "зеркалить". Плата также имеется в архиве.

Архив для статьи