Простой лабораторный блок питания на микросхеме КР142ЕН12 (LM317)

Лабораторный блок питания – прибор первой необходимости в радиолюбительской мастерской, в электротехнической практике. Автор не ведет регулярных работ с тонкой и нежной электроникой, однако иногда приходится. И когда прибор готов, начинаются поиски подходящих КРЕН и LM («гуляющая» деревенская сеть). В последнее время, приходится также регулярно иметь дело со светодиодными лентами (встраиваемая подсветка декоративных витражных светильников). Светодиодная лента в таких светильниках зачастую применяется довольно причудливым образом и в результате такого рода монтажных работ, пострадал не один штатный импульсный блок питания. Словом, назрела необходимость.

Блок питания виделся линейным (НЧ трансформатор) как более живучий, простой и ремонтопригодный. Вес и габариты для стационарного прибора не слишком важны. Блок питания должен быть регулируемым, выдавать постоянное стабилизированное напряжение до, ну скажем +20 В, с током нагрузки до нескольких ампер. Блок питания непременно должен быть оснащен защитой от короткого замыкания, желательна и регулируемая защита от превышения тока нагрузки. Блок питания может быть одноканальным, однополярным.

Очень хорошо иметь «на борту» и комплект измерительных приборов – вольтметр-амперметр. Это сильно повышает удобство в работе, позволит проводить некоторые другие работы и измерения, освобождает рабочее пространство на столе от лишних внешних приборов и проводов.

Изготовление авторских светильников предполагает вероятность их продажи, в том числе и в страны, электрические сети которых имеют напряжение отличное от родных 220 вольт. К счастью, импульсные БП имеют диапазон входных напряжений, перекрывающий все вероятные значения – ~100…240 В. Остается только снабдить сетевой адаптер подходящим переходником. Напряжение сети близкое к 240 вольтам не редкость в нашей сети (на одной из фаз). Нижнее же значение диапазона взять неоткуда. Проверить работоспособность БП при низком напряжении весьма желательно, учитывая качество большинства попадающих к нам блоков питания китайского производства. Применяемый в лабораторном блоке питания силовой трансформатор ТС-180-2 имеет сетевые обмотки на двух катушках (разделенные на две равные части). Это позволило очень просто получить искомое напряжение ~110 В.

Набор инструментов для электромонтажа, мультиметр, паяльник с принадлежностями, набор слесарного инструмента.

Кроме радиоэлементов в дело пошел корпус от старинного PC-шника, кусок оргстекла, немного кровельной стали, толстого текстолита и алюминия. Паста КПТ-8, крепеж, монтажный провод и медная проволока, термотрубка, нейлоновые ремешки, ЛКМ.

Блок питания решено было собрать на основе специализированной микросхемы регулируемого стабилизатора КР142ЕН12 (LM317). Это позволило при весьма простой схеме прибора получить вполне приличные параметры.

Схема имеет следующие особенности – переключаемая (переключателем SA2) вторичная обмотка трансформатора TV1 для понижения нагрева регулирующего элемента стабилизатора. Усиление микросхемы DA1 стабилизатора выносным транзистором VT1. Регулятор тока срабатывания защиты микросхемы на элементах R5…R9, SA3.

Сетевой трансформатор – ТС180-2 с перемотанными вторичными обмотками. Кроме силовых вторичных обмоток, были намотаны и две относительно слаботочных обмотки для двуполярных стабилизаторов питания измерительных приборов. Катушки трансформатора пропитаны лаком, что позволило свести к минимуму его акустический шум (гудение) и позволило надеяться на длительную работу со старым обмоточным проводом.

В блоке питания применены самодельные измерительные приборы – цифровой вольтметр и амперметр на микросхемах КР572ПВ2 (ICL7107) [3]. Семисегментные индикаторы, для удобства быстрого опознания, разного размера и разного цвета. Микросхемы приборов требуют двуполярного питания +5 В, -5 В. Каждому прибору требуется свой блок питания, БП амперметра должен быть полностью изолирован от цепей основной схемы.

Контакты переключателей SA2, SA3 должны пропускать ток до 3А. В качестве этих переключателей применены галетные ПГК [2] с керамическими платами. Допустимый ток через контактную группу, именно 3 А. Для повышения надежности БП контакты синхронно работающих групп соединены параллельно.

Блок питания собран в старом железном корпусе от системного блока PC на процессоре 80286. Это еще без радиаторов и обдувающих вентиляторов. Корпус небольшого размера, сделан из стали значительной толщины. Представляет собой сварную коробчатую раму и П-образную крышку. Маленькой УШМ удалось выпилить внутренние специализированные отсеки, металлическое основание для установки материнской платы впаял на свое место газовой горелкой. Это увеличило жесткость конструкции.

Главный радиатор для установки регулирующих элементов сделал самостоятельно из толстого алюминиевого листа с приклепанными отрезками такого же уголка. Скреплял алюминиевыми вытяжными заклепками, места соединений смазывались теплопроводной пастой КТП-8.

Штатная панель корпуса, будущая в конструкции лицевой, оказалась с вентиляционными проемами и отверстиями, пришлось делать фальшпанель. Пояснительные надписи, шкалы и.т.д. вычерчены в AutoCAD и распечатаны с фотографическим качеством на специальной плотной бумаге. Отверстия и проемы вырезаны скальпелем. Сверху лицевая панель прикрыта прозрачной панелью из органического стекла. Панель вырезана ножовкой по металлу, внутренние отверстия выпилены лобзиком по дереву, мелкие просверлены. Панели не имеют специального крепежа, все удерживается штатным крепежом установочных элементов.

Внутренние отверстия и проемы в панели из кровельной стали 0,5 мм выпилены ювелирным лобзиком, в штатной –бормашиной или тонким абразивным диском маленькой УШМ. Отверстия просверлены и расточены круглым напильником.

Выходные клеммы – минусовая привинчена прямо к металлическому корпусу, изнутри к ней припаян отрезок толстого луженого провода, куда сводятся все «земляные» концы. Плюсовая клемма удлинена и изолирована – к ней припаян отрезок винта М4 и сделан текстолитовый изолятор.

После сборки передней панели установил основные органы управления устройством. Измерительные приборы установил на импровизированные стойки из длинных винтов М3. В качестве светофильтра маскирующего неработающие сегменты индикаторов применен широкий малярный скотч.

Светодиоды (пока не задействованы - передняя панель использована от предыдущей недоработанной конструкции) плотно установлены в отверстия. Удерживает их толстый луженый провод, проложенный между изолированных термотрубкой выводов светодиодов и припаянный к металлической панели. Линза на торцах светодиодов сточена надфилем заподлицо с прозрачной панелью.

Параллельное соединение групп контактов галетных переключателей, выполнено толстым луженым проводом. Перед установкой, переключатели настраиваются перестановкой ограничителя. На лепестках переключателя SA3 смонтированы токозадающие резисторы R5…R8. Мой переключатель оказался с двумя группами по пять контактов. Синхронно включаемые контакты были включены параллельно, аналогично SA2, пятый контакт задействован для еще одного диапазона 10 мА. При этом диапазон 4 сделан фиксированным (удален переменный резистор R9) на 100 мА. Значения токозадающих резисторов и их мощность можно рассчитать по формулам, приведенным в [1].

На металлическое основание установлен трансформатор и блок оксидных конденсаторов С5 (2х10 000х50 В). Сетевой шнур временно подключен к лепесткам трансформатора, силовые выводы вторичной обмотки распаяны на SA2, подключен выпрямитель. Пробным включением убедился в работоспособности этой части схемы.

На самодельном радиаторе охлаждения установлена микросхема (не обязательно), диодный мост и внешний регулирующий транзистор (2хTIP147). Замена мощного полупроводникового прибора несколькими менее мощными выгодна с точки зрения охлаждения – мы равномернее распределяем источники тепла по радиатору.

Токовыравнивающие резисторы 0,25 Ом сделаны из отрезков (около 10 см) стальной проволоки (из ребристого пластикового шланга для прокладки электропроводки). Проволока отожжена в пламени газовой горелки, концы ее зачищены и залужены с хлористым цинком (паяльная кислота). Места пайки тщательно промываются водой, далее, проволочка-резистор паяется с канифолью.

На жестких выводах установочных элементов смонтированы и несколько мелких элементов с тонкими выводами. После проверки работоспособности, часть схемы, помещенная на радиаторе, устанавливается в корпус и подключается короткими проводами значительного (при необходимости) сечения. Проверка работоспособности.

Включение измерительных приборов. Как уже говорилось, специализированная микросхема КР572ПВ2 (ICL7107) для своей работы требует двуполярное напряжение +5 В, -5 В. Причем, измерительная цепь амперметра построена таким образом [3], что блок его питания должен быть совершенно изолирован от остальных цепей. Осознание этого факта, стоило нескольких сожженных печатных дорожек и горелой БИС. Что же, хорошие уроки всегда стоят дорого. На трансформаторе имелось только две одинаковые обмотки для +5 В и -5 В (предполагались напряжения общие для обоих измерителей). Удалось выйти из положения, применив иную схему включения выпрямителей и собрав еще один аналогичный блок питания. При этом получилось два гальванически развязанных БП.

Два независимых источника собраны на отдельных платках и закреплены за штатные фланцы микросхем (корпус ТО-220). Потребляемый измерительным прибором ток невелик, поэтому микросхемы стабилизаторов применены в пластиковом исполнении, что позволило крепить их без изолирующих прокладок. Единственная 7805 с металлическим фланцем (вывод GND микросхемы) в БП вольтметра также установлена без изолирующей прокладки, это допустимо схемой.

Металлическая плата с БП измерителей установлена на торцевом фланце сетевого трансформатора. Выполнены соединения, проверена работоспособность. Многооборотными подстроечными резисторами на платах измерителей [3], отображаемые значения приборов подогнаны к показаниям внешнего мультиметра.

Наконец, сделана панель для розетки ~110 В, установлена сама розетка и выполнено ее подключение. Подключение, как имеющее гальваническую связь с сетью, дополнительно изолировано от металлического корпуса толстой ПВХ трубкой, относительно мягкий жгут в нескольких местах закреплен капроновыми ремешками, пайки изолированы термотрубкой.

Временный сетевой провод заменен постоянной проводкой через сетевой тумблер и колодку предохранителя. Жгуты и провода проложены аналогично – дополнительная изоляция от металлического шасси, механическое крепление, изоляция мест пайки.

Боковые стороны шасси прибора закрыты панелями, вырезанными из кровельной оцинкованной стали и установленными на вытяжные заклепки. Верхняя крышка вырезана из штатной П-образной крышки корпуса системного блока. Над радиатором и блоком токозадающих резисторов R5…R8 в крышке просверлены массивы отверстий для охлаждения, поврежденное лакокрасочное покрытие восстановлено.

На панели из оргстекла вокруг рукоятки переключения пределов ограничения тока (SA3) гравером сделаны пять рисок и указаны пределы – 10 мА; 100 мА; 0,3 А; 1 А; 3 А. Выгравированные углубления заполнены темной краской.

Оригинальная схема претерпела несколько изменений и упрощений, все они работоспособны, а некоторое время эксплуатации показало, что и вполне удобны. Например, избавление от резисторов R3, R9. Введение еще одного предела 10 мА позволило очень удобно проверять работоспособность светодиодов, измерять напряжение стабилизации стабилитронов (обратное включение!).

При монтаже от внимания ускользнуло несколько моментов – не были установлены конденсаторы шунтирующие диоды выпрямительного моста и плавкий предохранитель FU2. Конденсаторы нейтрализуют помеху от переключения низкочастотных диодов, предохранитель поможет сохранить трансформатор в случае аварии. Это будет ближайшая доработка. Вместе с этим, стоит задействовать, по крайней мере, один из светодиодов – индицировать им перегорание сетевого предохранителя.