Технический обзор лабораторного БП PS-3005P «Тихоня»

Общее описание и внешний вид

Лабораторный БП PS-3005P это гибридный блок питания, на выходе у него используется быстродействующий линейный стабилизатор, за линейным стабилизатором «следит» ШИМ предрегулятор.

Почему так ? Зачем такие сложности ?

Преимущество линейного стабилизатора в его быстродействии, в случае перегрузки по току линейный стабилизатор быстро снижает выходное напряжением и с большей вероятностью «спасает» устройство.

Недостаток линейного стабилизатора в том, что на регулирующем элементе выделяется много тепла, что требует больших радиаторов и вентиляторов.

Импульсный стабилизатор, в отличие от линейного, имеет небольшие тепловые потери, но на его выходе устанавливаются конденсаторы большой емкости из-за чего он становиться медленным, при перегрузке все эти тысячи микрофарад разряжаются на нагрузку.

В гибридном блоке питания за счет ШИМ предрегулятора падение напряжения на линейном стабилизаторе небольшое и следовательно тепловые потери малы, таким образом получается быстрый стабилизатор с небольшим тепловыделением.

Как работает БП в целом надеюсь понятно далее будет поподробнее, переходим к внешнему виду.

 

Лабораторный блок питания

Лабораторный блок питания

БП собран в корпусе Gainta G768 из высокопрочного ABS пластика.

На передней панели расположен дисплей на ярких семисегментных индикаторах, светодиодные индикаторы режимов работы, два энкодера, кнопка и выключатель питания.

На задней панели сетевой разъем и разъем цифрового канала.

Вскрываем верхнюю крышку

Обзор лабораторного блока питания

БП состоит из трех основных модулей: модуль индикации, модуль регулирования (на фото слева) и модуль резонансного преобразователя (на фото справа).

В модуле индикации интересного ничего нет, а вот два остальных модуля рассмотрим поподробнее.

Резонансный преобразователь

Фото преобразователя без лишних проводов

Обзор лабораторного блока питания

Обзор лабораторного блока питания

Резонансный преобразователь относиться к импульсным преобразователям (ИП) и является разновидностью полумостовых (мостовых) преобразователей.

Особенностью резонансных преобразователей является так называемое «мягкое» переключение силовых транзисторов, которое происходит при нулевом напряжении ( ZVS) или нулевом токе (ZCS), наиболее распространен ZVS преобразователь, он и используется в БП.

Переключение транзисторов при нулевом напряжении очень важно из соображений излучаемых помех, чем больше значение коммутируемого напряжения тем больше амплитуда помехи и поскольку коммутация происходит при напряжении близком к нулю, то и помехи от преобразователя небольшие. Кроме того при «мягком» переключении транзисторов нет потерь на переключение, основные потери сводятся к статическим потерям (потери на сопротивлении канала).

Недостатки у резонансного преобразователя тоже, есть. Прежде всего это более сложный расчет и более сложная конструкция силового трансформатора, требующая секционирования обмоток. Оптимизация параметров резонансного преобразователя процесс кажется бесконечный, на фото выше представлена ревизия 2.6.3 т.е. перед ней было по меньшей мере 10 вариантов печатных плат, а расчетных (бумажных) вариантов и не сосчитать. Но, не смотря на всю сложность, процесс оптимизации действительно интересен и если Вы до сих пор не собирали подобные ИП, то может самое время попробовать начать ? 🙂

Рассмотрим основные узлы преобразователя подробнее

1 — варистор; 2 — NTC термистор; 3 — входной фильтр; 4 — диодный мост; 5 — сглаживающий электролитический конденсатор; 6 — снабберный конденсатор; 7 — силовые транзисторы; 8 — резонансный конденсатор; 9 — силовой трансформатор; 10 — Y конденсатор; 11 — выходной выпрямитель со сглаживающими конденсаторами.

Элементы 1,2,4,5,7,10,11 практически стандартны для любого ИП и подробно их рассматривать не будем.

Входной фильтр 3 построен на двухобмоточном тококомпенсированном дросселе Epcos серии B82732F, не смотря на свои скромные габариты, дроссель имеет высокий уровень подавления помех, индуктивность дросселя 15mH, совместно с X конденсатором и двумя Y конденсаторами дроссель образует высококачественный фильтр дифференциальных и синфазных помех.

Снабберный конденсатор 6 замыкает высокочастотную (ВЧ) составляющую потребляемого тока, снижая ВЧ помехи от преобразователя.

Резонансный конденсатор собран из двух конденсаторов, соединенных параллельно, такое решение обеспечивает почти полуторный запас по допустимой амплитуде переменного сигнала.

Резонансный конденсатор очень важный элемент преобразователя, он должен обеспечивать работу при высокой частоте и большой амплитуде переменного напряжения, для этих целей подходят высоковольтные (от 1 кВ и выше) полипропиленовые кондесаторы типов B32652 (Epcos), TS09 (SUNTAN), К78-2 (РФ). В техническом описании на конденсаторы имеются диаграммы, которые показывают допустимую амплитуду переменного напряжения в зависимости от частоты, при расчете резонансного преобразователя необходимо сверять расчетное и допустимое значение амплитуды переменного напряжения иначе конденсатор выйдет из строя. Чем выше емкость конденсатора тем ниже допустимая амплитуда переменного напряжения, поэтому используется параллельное соединение нескольких конденсаторов.

Силовой трансформатор 9 является «сердцем» резонансного преобразователя, как и любого ИП. Трансформатор разделен на две секции, на одной секции намотана первичная обмотка, на второй секции вторичные обмотки. Разделение трансформатора на секции необходимо для получения высокого значения индуктивности рассеяния, которая выполняет роль резонансной. Для снижения помех от преобразователя первичная обмотка экранирована медной фольгой.

На нижней стороне платы расположен контроллер резонансного преобразователя L6599 с необходимым «обвесом». Контроллер этот широко распространен и имеет множество защит.

Модуль регулирования

Фото модуля без проводов

Обзор лабораторного блока питания

Обзор лабораторного блока питания

Как уже рассматривалось ранее, регулировка выходного напряжения реализуется двумя стабилизаторами: линейным и импульсным Step-down с синхронным выпрямлением (далее ШИМ-предрегулятор).

Линейный стабилизатор реализован по классической схеме в которой ОУ управляет эмиттерным повторителем, с единственным отличием — вместо биполярного транзистора используется  полевой  N канальный транзистор (истоковый повторитель). Благодаря использованию полевого транзистора, падение на регулирующем элементе может быть менее 1В, кроме того не требуется предусилительный каскад, который необходим при использовании биполярного транзистора. Однако есть и недостатки у такого решения, затвор транзистора имеет существенную емкость и не каждый ОУ без дополнительных мер может стабильно работать на емкость в несколько нанофарад. В данном случае используется ОУ MC33072, который обеспечивает стальную работу на емкостную нагрузку емкостью до 10 нФ, кроме того выполнена необходимая в таких случаях частотная коррекция. Таким образом обеспечивается стабильная и надежная работа линейного стабилизатора.

ШИМ-предрегулятор на фото выделен красным

ШИМ стабилизатор

1 — входной конденсатор; 2 — полевые транзисторы, включенные по схеме полумоста; 3 — дроссель на кольце из распыленного железа, 4,5 — выходной кондесатор.

Как видно на фото, ШИМ-предрегулятор достаточно компактный, это необходимо для снижения возможных помех. Управление транзисторами полумоста осуществляется помехозащищенным драйвером FAN7382. Формирование ШИМ сигналов осуществляется МК, который «знает» текущие значения заданного и выходного напряжения и формирует ШИМ таким образом, чтобы напряжение на выходе ШИМ предрегулятора было на 0,8-1,2В выше выходного напряжения.

Для снижения помех от ШИМ-предрегулятора на выводы транзисторов надеты специальные ферритовые трубки ( на фото их не видно), кроме того общий провод ( «земля» ) выполнен таким образом, чтобы пульсирующий ток ШИМ-предрегулятора не «проникал» на выход.

ШИМ стабилизатор

На фото контур протекания пульсирующего тока ШИМ-предрегулятора в общем проводе показан красной линией, синей линией показан выходной ток. Таким образом ШИМ-предрегулятор практически не оказывает влияния на качество выходного напряжения.

На этом обзор «железа» заканчиваем и переходим к тестам.

Интрерфейс

Интерфейс это язык на котором прибор общается с пользователем, непродуманный и «глючный» интерфейс способен свести на нет все преимущества прибора.

В обозреваемом лабораторном блоке питания интерфейс достаточно аскетичен: два семисегментных дисплея, два энкодера с кнопкой, два светодиодных индикатора и кнопка. Вместе с тем регулировка параметров интуитивно понятна и проста, для регулировки напряжения крутим энкодер напряжения, для регулировки тока энкодера тока. При этом на дисплее напряжения отображается установленное или измеренное напряжения, на дисплее тока соответственно установленный или измеренный ток. Просто и понятно.

В ЛБП реализовано два режима регулировки параметров с входом в подрежим регулировки и без, пользователь может самостоятельно настроить какой режим использовать.

В режиме с входом в подрежим регулировки для установки напряжения/тока необходимо нажать на энкодер, войдя тем самым в режим регулировки, после чего вращением установить нужно значение. Смена регулируемого разряда осуществляется повторным нажатием на энкодер.

В режиме без входа в подрежим регулировки для установки напряжения/тока достаточно его просто крутнуть, как обычный потенциометр, при этом смена регулируемого разряда осуществляется также нажатием энкодера.

Функции

Казалось бы, какие у блока питания могут быть функции, но у данного ЛБП они действительно есть. По всем функциям на youtube канале есть видео, поэтому здесь мы их рассмотрим кратко.

Защита от переполюсовки

Подавляющее большинство даже дорогих лабораторных блоков питания при подачи на их вход напряжения обратной полярности выходят из строя. Связано это с тем, что на выходе у них стоит антипаралельный диод, который при этом оказывается прямосмещенным и фактически возникает короткое замыкание, диод выходит из строя и блок питания становиться неработоспособным. В некоторых дешевых блоках питания диода нет и тогда напряжение обратной полярности действует на выходные электролитические конденсаторы которые от обратного напряжения просто могут взорваться.

В данном ЛБП диода и электролитических кондесаторов на выходе нет, блок способен без повреждения выдерживать на выходе напряжение обратной полярности. При этом если ЛБП фиксирует на входе отрицательное напряжение от минус 0,5В и менее, то выход автоматически отключается от нагрузки и на дисплее появляется индикация наличия отрицательного напряжения на выходе ЛБП.

Триггерная токовая защита

В подавляющем большинстве блоков питания защита от перегрузок реализована за счет автоматического перехода блока питания в режим стабилизации тока при превышении заданного значения. Работает это следующим образом. Если потребляемый нагрузкой ток не превышает установленного пользователем ограничения, то блок питания работает в режиме стабилизации напряжения, поддерживая на выходе напряжение постоянным. При превышении заданного тока, блок питания переходим в режим стабилизации тока, плавно снижая напряжение на выходе до тех пор пока ток не установиться на заданном уровне, при уменьшении потребляемого тока, напряжение соответственно повышается до тех пока не достигнет заданного ограничения и ЛБП вновь не перейдет в режим стабилизации напряжения.

В обозреваемом ЛБП режимы стабилизации напряжения и тока реализованы аналогично описанному выше, при этом имеется возможно активировать функцию «Триггер». Когда функция активна при превышении заданного тока ЛБП переходит в режим стабилизации тока на заданное пользователем время, и если за это время потребляемый устройством ток не вернется к нормальному значении, то нагрузка автоматически отключается от ЛБП при этом после автоматического отключения мигает индикатор CC сигнализируя, что выход отключен автоматически из-за перегрузки. Таким образом предотвращается длительное протекание через нагрузку высокого тока, блок питания не просто ограничивает ток на заданном уровне, но и отключает нагрузку если перегрузка «затянулась» .

Временной параметр функции Триггер можно настроить от 0 (время реакции 3-5 мс) до 2000 мс. Настройка функции триггер осуществляется с использованием оперативного настроечного меню.

Компенсация сопротивления проводов

В случая когда необходимо точно поддерживать напряжение на нагрузке может быть использована функция компенсации сопротивления проводов.

Достаточно ввести значение сопротивления проводов и ЛБП будет автоматически компенсировать падение напряжения на проводах, поддерживая заданное напряжение на нагрузке.

Значение сопротивления проводов ЛБП может вычислить автоматически, для этого реализован соответствующий режим.

В отличие от четырехпроводного варианта контроля напряжения на нагрузке, программная реализация более удобна т.к. достаточно двух силовых проводов.

Функция 0,1мА

Данная функция позволяет измерять потребляемый нагрузкой ток с разрешением 0,1мА при его значении не более 1А. Функция полезна при отладке малопотребляющих устройств, когда «на счету» даже доли миллиампер.

Тест пульсаций выходного напряжения

Пульсации измеряем осциллографом Hantek DSO1152S с батарейным питанием, которое исключает влияние сети, полоса пропускания осциллографа 100 МГц. Для полноты картины используем различные типы нагрузки мощные резисторы, лампы накаливания и электронная нагрузка.

Пульсации лабораторного блока питания

холостой ход 25В

Пульсации лабораторного блока питания

Нагрузка резистор 25В 4,5А

Пульсации лабораторного блока питания

Нагрузка лампы накаливания 30В 4,7А

Пульсации лабораторного блока питания

Электронная нагрузка 30В 4,5А

Из осциллограмм видно, что ЛБП уверенно справляется с любой нагрузкой.

Переходные режимы

Проверим как ведет себя ЛБП при набросе и сбросе нагрузки

Наброс нагрузки

Наброс нагрузки 4,5А, напряжение 25В

Сброс нагрузки

Сброс нагрузки 4,5А, напряжение 25В

При сбросе нагрузки время реакции блока питания порядка 80 мкс, при сбросе порядка 20 мкс. Это действительно быстро.

На этом все, если какие-то аспекты я не отразил, пишите в форму обратной связи или в нашей группе в ВК и мы будет дополнять данный обзор дополнительными тестами, фотографиями и описаниями.