Регулируемые источники питания незаменимы, когда речь идёт о деятельности радиолюбительской (и не только) мастерской. Любители часто конструируют их самостоятельно, опираясь на свой опыт, или опыт коллег. Хочу предложить свой вариант несложного регулируемого источника питания с защитой по току и триггерным отключением при коротком замыкании выхода.

Особенностью данного источника питания является отсутствие конденсатора на его выходе, что обеспечивает отсутствие импульса тока при подсоединении нагрузки, возникающего из-за его разрядки.

Основой источника питания служит ИМС типа TL431 (КР142ЕН19), исполняющая роль регулируемого стабилизатора напряжения параллельного типа (рис. 1, 2, 3). Благодаря наличию входа обратной связи «Adj» (также его называют «Ref»), возможна установка выходного напряжения в пределах от 2,5 до 36 вольт. Напряжение стабилизации при этом зависит от того, какая его доля соотносится с напряжением внутреннего опорного источника величиной 2.495 вольта. Если напряжение на входе «Adj» несколько ниже внутреннего опорного, то регулирующий транзистор прикрывается. Выше – наоборот, регулирующий транзистор открывается сильнее.

Поскольку сама TL431 не может рассеивать достаточную мощность (она ограничена величиной 0,4 Вт, что, например, при 20 вольтах выходного напряжения означает ток не более 20 мА, иначе микросхема просто рискует выйти из строя от перегрева), для получения больших токов на выходе стабилизатора необходимо применять умощнение при помощи транзисторов. Самые простые варианты умощнения показаны на рисунке 4.

Тем не менее, для реализации выбран вариант умощнения с полевым транзистором. Всё-таки для управления им требуется гораздо меньшая мощность (на порядки), а быстродействие истокового повторителя даже с транзисторами старых типов позволяет обходиться без цепочек коррекции всей системы регулирования.

Схема получившегося источника питания представлена на рисунках 5 и 6. На рисунке 5 изображена силовая часть регулятора напряжения. Рисунок 6 содержит схему узла триггерной защиты. При отсутствии необходимости в триггерной защите, данный узел можно просто не устанавливать в источник питания.

В основу схемы регулятора напряжения положена схема умощнённого полевым транзистором стабилизатора напряжения, аналогичная рис.4б. Роль резистора R1 (на рис.4), обеспечивающего током TL431, выполняет генератор тока, собранный на транзисторах VT1 и VT2 (рис.5). Ток в коллекторе транзистора VT2 напрямую зависит от сопротивления резистора R2 и падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1. При указанных на схеме номиналах он составляет примерно 3,8~4,2 мА и при необходимости уточняется подбором сопротивления R2 (меньше сопротивление – больше ток).

Генератор тока по сравнению с простым резистором предпочтительнее тем, что ток на его выходе очень слабо зависит от напряжения питания – это позволяет в значительной мере ослабить пульсации тока через TL431, происходящие от пульсаций напряжения питания. В итоге пульсации, всегда имеющиеся на накопительном конденсаторе выпрямителя питания (С1, С2), эффективно подавляются.

Регулирующий транзистор – VT3. Он должен быть мощным и установлен на эффективный радиатор, так как на нём в определённых режимах рассеивается значительное количество тепла. Количество тепла, выделяющееся на этом транзисторе, максимально при минимальном выходном напряжении и максимальном токе. Например, при токе 3 ампера и выходном напряжении 12 вольт, на транзисторе будет выделяться порядка 100 ватт тепла (при указанном напряжении на входе блока). Для указанного на схеме транзистора типа IRFZ44N это является предельной величиной и то при условии эффективного отвода тепла.

Для обеспечения безопасности при пользовании источником, выходной ток ограничивается на некотором фиксированном уровне. Для исполнения этой функции установлены Rш и VT4. Если рассмотреть этот узел чуть внимательнее, то легко можно увидеть, что вкупе с транзистором VT3 данные элементы также образуют схему источника тока (рис.7в), в которой ток напрямую зависит от сопротивления Rш. Для внимательных нужно отметить, что строго заданный ток течёт лишь в цепи стока полевого транзистора, а в цепи истока, к которой у нас подключена нагрузка, течёт сумма токов: ток стока и ток, задаваемый Rб. В нашем случае ток Rб задаётся транзисторами VT1 и VT2 и являет собой фиксированную величину порядка 4 мА. Это очень небольшая погрешность, которой можно пренебречь.

Для удобства пользования, чтобы была возможность оперативно изменять ток ограничения, рекомендуется Rш сделать переключаемым при помощи галетного переключателя или тумблеров.

Резистор R3 выполняет роль ограничителя тока через катод TL431 для случая, когда вдруг напряжение на выходе источника питания по какой-то причине стало выше, чем заданное потенциометром VR1 (например, при подключении заряженного конденсатора). Потому что при этом регулирующий транзистор внутри TL431 полностью открывается, обеспечивая на её катоде напряжение не выше 2 вольт и ток через переход ZD2 (а при его отсутствии – через переход Б-К VT4) течёт от клеммы «Выход+» в катод TL431. Без R3 этот ток достигал бы разрушительных величин.

ZD1 выполняет защитную функцию – защищает TL431 от возможного превышения напряжения на её катоде при переходе источника в режим ограничения тока либо обрыве предохранителя FU1. В этом режиме TL431 полностью закрывается, в результате чего напряжение на её катоде может вырасти свыше предельно допустимой величины 36 вольт.

C4 – корректирующий конденсатор. Улучшает реакцию регулятора в режиме стабилизации напряжения, которая чуть подпорчена наличием R3 и значительной ёмкости затвор-исток транзистора VT3.

Вольтметр М42300

Индикатор тока М4370

Регулировка выходного напряжения осуществляется при помощи цепочки, состоящей из VR1 и R7, R8. Такое немного необычное включение делителя напряжения призвано для решения повсеместной проблемы «шуршащих контактов» (см. рис.8), из-за которой при традиционном включении возможен заброс выходного напряжения сверх допустимого для подключенной нагрузки. При указанном включении «шуршание», наоборот, приводит к уменьшению напряжения на выходе. Это хоть и неприятно, но относительно безопасно.

Небольшим минусом такого решения является повышение примерно на 0,1 Вольт минимального выходного напряжения источника. Это связано с тем, что вход Adj не обладает бесконечно большим сопротивлением, и в него при нормальной работе течёт ток порядка 2 мкА. На сопротивлении 50 кОм этот ток вызывает падение напряжения величиной 0,1 Вольт.

VD5, VD6 и C3 образуют отдельный источник питания для генератора тока, питающего TL431. Всё дело в том, что при значительном токе на выходе блока, конденсаторы C1 и C2 достаточно быстро разряжаются между пиками полупериодов. А для того, чтобы держать VT3 открытым, необходимо напряжение на его затворе, превышающее напряжение на истоке примерно на три-три с половиной вольта. Это означает, что если бы генератор тока питался от того же выпрямителя, что и VT3, то падение напряжения на VT3 никак не могло бы быть меньше этой величины. Напряжение на конденсаторе C3 спадает не настолько быстро, как на C1 и C2, и это позволяет в промежутках между пиками полупериодов открывать VT3 намного сильнее, вплоть до насыщения.

VD7 совместно с R4 выполняют защитную для VT4 роль на случай, если вы подключите выход блока к аккумулятору, забыв включить сам блок в розетку.

VD8 и FU1 тоже предотвратят аварию при переполюсовке аккумулятора (когда его минус перепутаете с плюсом). Правда, FU1 после такого случая придётся заменить на новый.

Триггерная защита (рис.6) состоит из двух узлов: собственно триггера на двух транзисторах VT7 и VT8, и компаратора, исполненного на дифференциально включенных VT9 и VT10.

При нормальной работе источника питания, будь он в режиме стабилизации напряжения, либо в режиме ограничения тока, напряжение на его выходе находится на некотором уровне. Некоторые колебания напряжения из-за изменения сопротивления нагрузки не приводят к отключению блока. Но когда напряжение вдруг быстро чрезмерно снижается – это можно рассматривать уже как аварийную ситуацию. Уровень, снижение до которого не рассматривается как авария, формируется делителем напряжения R18 R19 и «запоминается» конденсатором C7. Поскольку вход делителя подключен к выходу источника, то напряжение на C7 составляет всегда (кроме того времени, пока переходный процесс не завершён) примерно треть от напряжения на выходе. При этом текущий через R18 R19 ток удерживает транзистор VT10 в открытом состоянии, а VT9 в, соответственно, закрытом. При аварии (коротком замыкании) напряжение на выходе блока быстро снижается (вплоть до околонулевого значения). Благодаря имеющемуся в C7 заряду ток через резистор R18 (и диоды VD10, VD11) меняет направление, из-за чего напряжение на базе VT10 становится выше, чем напряжение на базе VT9, из-за чего VT10 закрывается, а VT9 открывается. Ток коллектора открывшегося VT9 открывает VT8, который в свою очередь открывает VT7, а поскольку ток VT7 идёт также и в базу VT8, удерживая его открытым, то VT7 и VT8 самоблокируются в открытом состоянии, обеспечивая на катоде TL431 и, соответственно, затворе VT3 очень низкое напряжение (не более полутора вольт), из-за чего VT3 полностью закрывается, отключая тем самым нагрузку.

Сброс сработавшей блокировки можно произвести либо кнопкой (тумблером) SB1, либо отключением всего источника питания от сети. При этом необходимо иметь в виду, что если на момент сброса (включения в сеть) на выходе источника питания уже (ещё) присутствует короткое замыкание, то в этом случае блокировка не произойдёт потому что при таком развитии событий напряжение на выходе не было высоким, чтобы затем снизиться ниже, чем напряжение на C6. Данное свойство можно рассматривать как способ временного отключения блокировки.

VT5 и VT6 обеспечивают питание дифференциальному каскаду на транзисторах VT9, VT10. R10, VD7 и R11 защищают транзисторы VT7 и VT8 от чрезмерных токов, которые могут возникать при срабатывании защиты.

Напряжение на выходе блока индицируется типовой измерительной головкой PV с максимальным значением по шкале 30 Вольт. Индикатор PA показывает, в каком режиме работает блок. Он настраивается таким образом, чтобы при переходе в режим ограничения тока стрелка отклонялась в конец красного сектора.