Tento článek bude oddychové zamyšlení nad laboratorními zdroji v amatérské dílně (slovem amatér mám na mysli člověka, kterého elektronika neživí a bere ji pouze jako koníček).
Laboratorní zdroj je nejdůležitější vybavení v dílně a pravděpodobně i jedna z mála věcí, kterou si pokročilejší bastlíři navrhují a staví sami. Na Internetu lze nalézt desítky různých zapojení, v časopise Praktická elektronika vychází články o konstrukci zdrojů téměř v každém čísle, takže informací je i v českém jazyce hodně. Z toho důvodu nebudu procházet konkrétní zapojení, ale budu psát spíše obecně.
Jaký výkon?
K čemu vlastně laboratorní zdroj potřebujeme? To je první otázka, kterou je potřeba si položit, než začneme zdroj navrhovat. Od toho se totiž odvíjí celá konstrukce zařízení.
Dokud se hrajete s nejrůznějšími bzučáky a blikačkami a začínáte se s elektronikou seznamovat, vystačíte si s baterií. To je jednoduché a nejbezpečnější řešení (pokud nepoužíváte akumulátor do auta). Za baterii lze připojit například stabilizátor 7805, na jehož výstupu bude 5V stejnosměrných a hotovo, vynikající zdroj ze tří součástek (stabilizátor a dva kondenzátory).
U složitějších projektů už to bude chtít výkonnější zdroj. S nastavitelným výstupním napětím, dostatečným proudem a ideálně i s proudovým omezením. Jaké konkrétní parametry jsou potřeba?
To záleží na tom, jakou elektroniku děláte. Pro digitální elektroniku, mikrokontroléry a zapojení s relativně malým výkonem (odhadem do 10W) stačí zdroj lineární, výstupní napětí v rozsahu od 0 do 10 V, proud cca 1 A. V případě mikrokontroléru se určitě hodí kromě nastavitelného výstupu i jedna větev s pevným napětím, například 5 nebo 3,3 V.
Pokud občas zabrousíte do jednoduchých analogových obvodů, operačních zesilovačů, jednoduché audio zesilovače s malým výkonem, doporučuji lineární zdroj 0-20V. Proudově si vystačíte s 1 A, ale 3 A se neztratí nikdy :) Nedávno jsem napájel trojfázový motorek, který používají modeláři v RC letadlech a určitě bych užil i 5 A. To už je ale dle mého názoru maximum, pokud potřebujete ještě větší proud (například již zmínění modeláři), rozhodně bude lepší uvažovat o spínaném zdroji.
Nadšenci do elektronek a experimentátoři s větším napětím než je 50 VAC užijí spíše oddělovací tranformátor s nastavitelným výstupním napětím. Z hlediska bezpečnosti je to naprosto nutné vybavení domácí dílny. A netýká se to jen elektronek, ale obecně všech projektů, které pracují se síťovým napětím. To je ale téma na jiný článek…
Ať už máte na výkon zdroje jakékoliv požadavky, proudová pojistka by v dobrém a bezpečném zdroji neměla chybět. Ta v případě většího proudu než nastaví obsluha začne omezovat napětí. V případě zkratu se například výstup odpojí úplně a zařízení ani zdroj se nezničí. Většina dnešních polovodičových stabilizátorů (již zmíněná 7805, LM317, LT3080 a další) mají proudovou i teplotní pojistku, která je většinou nastavena na jejich pracovní maximum (například stabilizátor s maximálním proudem 1 A bude mít proudovou pojistku právě na 1 A).
Když jsem si stavil první zdroj, použil jsem to nejjednodušší zapojení s jedním obvodem LM317. Má jedinou větev, výstupní napětí 1,2 až 18 V, maximálně 1 A. Zdroj obsahuje minimum součástek, DPS jsem kreslil ručně, neobsahuje nastavitelnou proudovou pojistku, ale spoléhá se na omezení LM317. Vše je v plastové krabičce a indikace výstupního napětí je řešena analogovým voltmetrem. S takovýmto zdrojem pracuji už 8 let a až na pár výjimek vždy stačil.
Jednoduché zapojení
Minulý měsíc jsem pomáhal stavit podobný zdroj. Tento ale obsahoval dvě LM317, jedna slouží k nastavení výstupního napětí a druhá pro omezení proudu. Základem zapojení bylo schéma z datasheetu od ON Semiconductor.
Ve schématu jsme udělali několik modifikací. Abychom nemuseli řešit záporné napětí -10 V, tranzistor Q2 a diody D3 a D4 jsme vypustili a potenciometr „Voltage Adjust“ je připojen přímo na zem. Stejně tak drain tranzistoru Q1 je připojen na zem (a v případě pottřeby lze Q1 vypustit a nahradit rezistorem).
Pokud googlujete schéma zdroje, pravděpodobně narazíte na desítky modifikací tohoto zapojení. Takový zdroj má ale několik problémů, které nemusí být zřejmé na první pohled. Za prvé je minimální nastavitelné napětí 1,2 V. Pokud potřebujete 0 V, musíte opravdu použít Q2 a -10 V nebo vybrat jiný stabilizátor.
Dalším problémem je potenciometr „Voltage Adjust„. V případě poruchy, kdy se jeho jezdec odpojí, se může na výstupu zdroje objevit maximální napětí. Také by bylo vhodné nějak vyřešit indikaci sepnutí proudové pojistky. Například tranzistorem sledovat úbytek na první LM317 a pokud se zvětší, rozsvítit indikační LED.
Zajímavou variantou je použít stabilizátor LT3080. Ten je sice dražší, než LM317 a mnohem méně známý a používaný, ale má několik zajímavých parametrů. Například pokud zajistíme, aby byl odběr tohoto zdroje stabilně 1 mA, půjde na výstupu nastavit i 0 V.
Transformátor
Transformátor je na lineárním zdroji ta největší a nejtěžší součást. Pokud jste již nějaký zdroj stavili, pak je vám to jasné, ale někteří začínající by mohli mít s výběrem správného trafa problém.
Vhodný transformátor pro lineární laboratorní zdroj bude mít alespoň 2 kg. Pokud rozeberete libovolné novější zařízení (rádio, nabíječku k mobilu, tiskárnu nebo počítač), narazíte na malé transformátory, cca do 200 g a velké pár centimetrů. Takové trafa se používají ve spínaných zdrojích a pro lineární zdroje jsou naprosto nevhodné.
Na fotografiích jsou ukázky vhodných transformátorů. Ve dvou případech se jedná o staré (a již nefunkční) kusy. Jeden, s výkonem 125 VA by byl velmi vhodným kandidátem pro stavbu laboratorního zdroje. To stejné platí o novém toroidním trafu s výkonem cca 60 VA. Třetí kus je vhodný pro napájení elektronek, takže spíše jen pro zajímavost, do zdroje se nehodí.
Pokud nemáte možnost sehnat starý transformátor, budete se muset porozhlédnout po novém. V takovém případě je dobré se podívat i na nabídku toroidních transformátorů, které jsou sice o něco dražší ale na druhou stranu menší a lehčí.
Mimochodem, jak bezpečně ověřit neznámé trafo, když nemáte oddělovací transformátor ani měřič impedance? Nápad, který nepochází z mé hlavy: zapojte mezi napájení a primár trafa žárovku do série. V případě, že je transformátor vadný (zkrat na primáru) se žárovka rozsvítí, ale ke zkratu nedojde.
Další vlastnosti zdroje
Hlavní funkcí zdroje je poskytnout spotřebiči dostatečný výkon a stabilní, vyhlazené napětí. I tak je tu ale možnost pro další experimentování při návrhu.
Co se určitě hodí je více galvanicky oddělených výstupů. Můžete pak napájet i spotřebiče, které vyžadují více napájecích napětí – nejčastěji projekty s operačními zesilovači, audio zesilovači a další.
Zrovna si navrhuji nový zdroj s LT3080, který bude řízen mikrokontrolérem, bude obsahovat měření teplot na kritických místech, ovládání pomocí dvojice potenciometrů, tlačítek a 4 řádkového LCD displeje. Možná se mi celý projekt podaří dotáhnout do konce dříve, než si vymyslím další hlouposti :)
Zajímavým nápadem, který bych rád brzo realizoval, je jednoduchý kapesní zdroj napájený z USB. Při použití DC-DC měniče by mohlo být výstupní napětí až 10 V, maximálně 100-500 mA. Pro digitální obvody s MCU by mohl být takový zdroj velmi užitečný. Malý, jednoduchý a hlavně galvanicky oddělený od PC.
Závěr
Pár odkazů na zajímavé projekty:
- Laboratorní impulsní zdroj řízený procesorem
- Přehled topologií impulzních zdrojů
- Impulzní zdroj do 40 A
- Lineární zdroj do 3 A
- a téměř každé číslo Praktické Elektroniky
Pokud jste si již vlastní zdroj stavili, budu rád, když se pochválíte v diskusi. Nejenom mě, ale určitě i ostatní zajímají zkušenosti ze stavby a inspirace co všechno jde.