Laboratorní zdroj – 2. popis zapojení

V tomto článku popíšu princip práce jednotlivých obvodů analogové části zdroje tak, jak byla testována na modelu v programu LTspice a potom sestavena na univerzální desce plošných spojů. Problémy s jednotlivými součástkami reálného zapojení budou průběžně popisovány v článku o měření. Součástky v modelu jsou vybrány z aktuální knihovny LTspice, neodpovídají realitě. Cílem je, ověřit základní principy a najít potenciální problémy.

Napájecí transformátor V1 bude mít v reálném zapojení odbočku přibližně v polovině vinutí. Ta bude připojována pomocí relé. V diskusi je zmiňována možnost připojování pomocí triaků, možná by to stálo za testování a hraní si. Ale nemůžeme si hrát se vším, příliš bychom oddalovali dokončení stavby. Takže mnoho věcí ve zdroji bude kompromisem, nebo řešením navrženým podle aktuálních vědomostí.

Regulovaný výkon je kvůli lepšímu rozvedení tepla po chladiči rozdělen do čtveřice výkonových tranzistorů. Tranzistory v zapojení se společným kolektorem pracují jako zesilovač proudu. Jsou napájeny dvojicí tranzistorů Q5 a Q6 pro dosažení většího zesílení. Tranzistor Q7 slouží jako proudová ochrana výkonových tranzistorů. Začne se otevírat, když je na rezistorech R1 – R4 cca 0,5V a tím omezí proud do báze tranzistoru Q6.

Proud pro bázi tranzistoru Q6 je získáván z pomocného zdroje V3, přes rezistor R15. Zem pomocného zdroje je spojena s kladnou výstupní svorkou zdroje, takže k otevírání výstupních tranzistorů není potřeba moc velké napětí. Regulované napětí může být mnohem větší, než je mezní napájecí napětí použitých operačních zesilovačů. Proud do báze Q6 je řízen součtem proudů z operačních zesilovačů.

Diody D6 – D9 chrání vstupy zesilovače, kondenzátor C5 zrychluje reakci regulátoru, ale způsobuje rozkmitávání. Rezistor R20 je plánován pro čtyřvodičové měření napětí – nakonec nebylo použito.

Regulátor napětí

Operační zesilovač U1 řídí výstupní napětí zdroje. Jde o diferenciální zesilovač, který se snaží svým výstupem dosáhnout rovnováhy na svých vstupech: když je rozdíl napětí na vstupech kladný, napětí na výstupu se zvyšuje. Když je rozdíl na vstupech záporný, na invertujícím vstupu je větší napětí, než na neinvertujícím, napětí na výstupu se snižuje. Napětí na výstupu se ustálí v okamžiku, kdy je na obou vstupech stejné napětí.

Na invertující vstup je připojen kladný pól zdroje, v následující úvaze 0 voltů. Na kladný vstup operačního zesilovače je přivedeno napětí ze záporné svorky zdroje přes R21 a napětí z referenčního zdroje přes R19. Odpor rezistorů je v poměru 10/1. Takže když na referenčním zdroji V2 (v reálném zapojení potenciometr nebo DA převodník) bude např. 1,2V, operační zesilovač začne zvyšovat napětí na svém výstupu. Napětí bude zesíleno výkonovými tranzistory a začne růst napětí na svorkách zdroje. Pro naši úvahu začne klesat napětí na záporné svorce zdroje vůči potenciálu 0V na kladné svorce. Záporné napětí z R21 bude vyrovnávat kladné napětí z R19. Zapojení se ustálí ve stavu, kdy poměr napětí bude stejný jako poměr odporů, to je +1,2V / -12V. Na výstupních svorkách bude 12V a na obou vstupech operačního zesilovače bude 0V. Zdroj se ustálí. Pokud se zvýší odběr proudu ze zdroje, zvedne se napětí na kladném vstupu operačního zesilovače, který odchylku zesílí a zvýší proud do báze Q6. Zdroj se znovu ustálí na 12V.

Operační zesilovač svým výstupem velmi rychle reaguje na změny které jsou na jeho vstupech. Výkonové tranzistory jsou mnohem pomalejší, takže se regulační smyčka rozkmitává. Kmitání je omezováno zápornou zpětnou vazbou, to je kondenzátor C6. Ta ale zpomaluje rychlost reakce obvodu na změnu odběru proudu. Takže je nutno volbou kondenzátorů hledat kompromis mezi kladnou a zápornou zpětnou vazbou zesilovače tak, aby byla rychlost reakce co největší a přitom se obvod nerozkmital.

Regulátor proudu

Výstupní proud je sledován na rezistoru R24. Napětí z něj je zesilováno operačním zesilovačem U2. Tady je velké téma k diskusi, jak obvod zapojit. Použít speciální obvod určený k měření na bočníku, nebo operační zesilovač s pevně nastaveným zesílením? My se rozhodli použít zapojení s obyčejným precizním zesilovačem. No a kolem něj vybrat dvojice rezistorů se stejným odporem (dvojice R25, R26 a dvojice R27 a R28). Ve starém zdroji s MAA723 to bylo zdrojem velkých problémů, tehdy jsem použil uhlíkové rezistory. Tady budou použity metalizované SMD rezistory, takže by mělo být možné dosáhnout dobrých parametrů.

Operační zesilovač U3 je zapojen jeko komparátor. Porovnává napětí z bočníku R24 s napětím z reference V6 (v reálném zapojení potenciometr nebo DA převodník). Pokud je na referenci V6 nastaveno větší napětí, než jde ze zesilovače U2, bude na výstupu komparátoru U3 kladné napětí. To neprojde přes diodu D11, takže stav zdroje je ovlivňován jenom regulátorem napětí – obvod je ve stavu “zdroj napětí”.

Když je ze zdroje odebírán větší proud než odpovídá hodnotě nastavené na referenci V6, bude na výstupu komparátoru U3 záporné napětí. To projde přes diodu D11 a začne zavírat výkonové tranzistory. Napětí na výstupních svorkách klesne a proud bude odpovídat tomu, co je nastaveno na referenci V6. Obvod je ve stavu “zdroj produ”. Problém je, že tohle se bude rozkmitávat ještě víc, než napěťový regulátor. Jako blokovací kondenzátor je použit C9.

Zapojení na univerzální desce plošných spojů

Použil jsem zesilovače OP07, bez chladičů nebudu zkoušet moc velkou zátěž. Rozkmitávání napěťového regulátoru způsobuje šum 30mV na výstupních svorkách. Proudový regulátor kmitá 200mV při zátěži 100mA. Celkově to na nic není, odpory ve zpětných vazbách šumí. Prototyp analogové části zdroje bude na oboustranné desce plošných spojů a budou použity SMD rezistory. Takže šum obvodu by měl být mnohem menší.

Závěr

S použitým zapojením dle modelu v LTspice by mělo být možné dosáhnout očekávaných parametrů:

• Regulace napětí 16-ti bitovým převodníkem po 1mV od minimálního nastavitelného napětí 100mV do 50V nebo podle použitého trafa.
• Regulace proudu 16-ti bitovým převodníkem po 1mA s tím, že pomocí relé budeme přepínat zesílení obvodu U2 a tím se dostaneme k lepší citlivosti.
• Kmitání operačních zesilovačů je možno blokovat navrženými kondenzátory + přidat kondenzátor mezi vstupy OZ.
• Pomocí relé přepínat kapacitu výstupního filtru C7. Pro proudy řádu miliampér by měl mít kapacitu 1μF, jinak zdroj v režimu proudu nebude dost rychlý.

Laboratorní zdroj – 1. úvod

Laboratorní zdroj – 2. popis zapojení

Laboratorní zdroj – 3. volba součástek

Laboratorní zdroj – 4. návrh modulu zdroje

Laboratorní zdroj – 5. komunikace po sériové lince

Laboratorní zdroj – 6. programování DA a AD převodníku

Laboratorní zdroj – 7. regresní funkce měření napětí