Генератор стабильного тока для зарядки аккумуляторов, блок питания

Рассматриваемый генератор стабильного тока (ГСТ) хорошо подходит для зарядки аккумуляторов (до 12 В). Величину зарядного тока можно устанавливать в пределах 0...10 А.

Однако изготавливался данный ГСТ не столько для зарядки аккумуляторов, сколько для иных целей. Мощный ГСТ позволяет быстро оценить практически любые контактные соединения по величине переходного сопротивления (контакты реле, выключателей и пр.).

Вступление

Используя милливольтметр постоянного тока, например мультиметр серии 830 или 890, можно легко измерить сопротивление вплоть до 0,001 Ом. Имея мощный ГСТ и милливольтметр, мы фактически приобрели миллиомметр, а это раскрывает широкие возможности в деятельности радиолюбителя.

Занимаясь ремонтом радиоэлектронных средств (РЭС), мы вынуждены проверять исправность многих комплектующих. Конструирование РЭС требует проверки уже всех радиокомпонентов без исключения (как б/у, так и новых).

В радиолюбительских условиях процесс проверки комплектующих носит, как правило, весьма поверхностный характер. Да и многое ли можно узнать о параметрах мощного диода или транзистора при использовании цифрового мультиметра? "Прозванивая" током в несколько миллиампер мощный диод на 10...30 А, можно лишь выявить его негодность.

Получше будут результаты в случае применения стрелочного измерителя, например, М41070/1. Последний обеспечивает величину тока в измеряемой цепи более 50 мА (поддиапазон 300 Ом). А на пределе 300 кОм легко обнаруживаются дефекты диодов и транзисторов (утечки токов).

Но не все дефекты можно выявить при проверке полупроводниковых приборов низковольтными измерителями сопротивлений. Поэтому и были изготовлены измерители [1, 2].

Измеритель [1] позволяет оперативно оценить величину Uкэ.макс транзисторов, а портативный вариант такого измерителя [2] предназначен для работы от аккумулятора (не привязан к сети 220 В, что ценно в условиях радиорынка).

Этими же измерителями оценивались и величины обратных напряжений проверяемых диодов. Удобно и быстро проходил поиск дефектных конденсаторов. Кроме того, измеритель [2] имеет диапазон напряжения от 0 до 3000 В. Последнее обстоятельство позволяет испытывать изоляцию, например, между обмотками сетевого трансформатора.

В моей практике были случаи, когда удавалось найти даже место дефекта изоляции между I и II обмотками сетевого трансформатора блока питания. Никакие омметры, имевшиеся под рукой (0...200 МОм), не фиксировали нарушения изоляции, а трансформатор уже начал "биться током".

В темноте (при напряжении более 2,5 кВ) очень хорошо было видно место дефекта, так как искра проскакивала в конкретном месте и создавала характерное потрескивание. Таким образом, удалось избежать перемотки обмоток, устранив пробой изоляции и залив его клеем. Самое важное, что радиолюбители, повторившие измерители [1, 2], остались довольны возможностями этих приборов.

Когда требуется выбрать из числа имеющихся мощных диодов наилучшие, пригодится этот ГСТ. Диоды с наименьшим прямым напряжением (Uпр) нагреваются меньше и дольше служат. Очень важно такие экземпляры использовать в низковольтных выпрямителях, где величина Uпр определяет КПД схемы.

Приходилось наблюдать, как интенсивно начинают нагреваться диоды, когда величина тока через них превышает 7...10 А, маленькими полосками-радиаторами уже не обойтись, ибо диоды типов Д242-Д247, КД203, Д214 и пр. нагреваются настолько сильно, что могут выйти из строя. Величина тока через эти диоды не должна превышать 7 А (коэффициент нагрузки по току равен 0,7).

Однако практика использования таких диодов показала, что они могут долго и безотказно работать и при токах 10 А и более. Если ток превышает 7 А, то особенно актуален отбор экземпляров с наименьшим значением Uпр. Стоит заменить обычные кремниевые диоды Д242 диодами с барьером Шотки, например, КД2998В, как осознаешь преимущество последних (малое значение Uпр позволяет использовать малогабаритные радиаторы и при токе 10 А).

К сожалению, на диоды цены высокие, а на диодные мосты - чрезмерно высокие (в ремонте может и окупятся, а конструирование по ценам перекупщиков разоряет радиолюбителя). Составить мост из нескольких диодов дешевле, хотя и вызывает неудобства с несколькими теплоотводами. Параметры зарубежных диодов и мостов явно завышены, о чем свидетельствуют замены их в схемах.

Для отбора диодов с минимальным значением Uпр, испытуемый диод подключают к выходу ГСТ (как показано пунктиром на рис.1). Так выбирались диоды типов КД202, КД203, Д242-Д246, Д214, Д215, Д231, КД2997, КД2998, КД2999 и др. Кстати, Uпр диодов часто отличается от справочных данных (как типовое значение, так и регламентируемое для температуры Т>25°С и конкретной величины прямого тока.

Среди большого числа (или упаковки) однотипных диодов почти всегда встречались экземпляры, у которых Uпр было в 1,5-2 раза больше, чем у остальных. Вот такие экземпляры и перегреваются, например, в мостовом выпрямителе (их нагрев значительно превышает нагрев остальных диодов). Uпр измеряли при токе не меньшем, чем рабочий ток данного диода в конкретной конструкции.

Об измерении малых величин сопротивлений (режим миллиомметра)

Потребуется милливольтметр с пределом 200 или 2000 мВ. Резистором R9 (рис.1) устанавливают ток через измеряемое сопротивление (Rн) 1 А. Теперь на каждый милливольт падения напряжения на сопротивлении Rн соответствует миллиому этого сопротивления. Когда требуется более высокая точность измерения Rн, переходят на поддиапазон 10 А (нажат переключатель SA2) и устанавливают ток через Rн 10 А. Теперь каждому миллиому сопротивления соответствует уже 10 мВ.

При такой величине тока (10 А) прекрасно "звонятся" практически любые разъемные соединения. На них "оседает", в зависимости от переходного сопротивления, от единиц милливольт (отличного качества контакт) до десятков и сотен милливольт (это уже дефектные контакты).

Измерение малых сопротивлений при токе >10 А позволяет быстро выявить многие дефекты, которые скрыты для прозвонки мультиметрами. Предоставляется эксклюзивная проверка (в цифрах!) практически любых монтажных проводов. Берут отрезок монтажного провода длиной несколько десятков сантиметров и подключают к ГСТ.

По падению напряжения на нем определяют его пригодность для тех или иных целей. Пока человек имеет дело с конструкциями, где величина тока не превышает 1...3 А, то измерение миллиом ему не нужно. Но в конструкциях с токами больше 10 А многое меняется. На рынках стали появляться "китайские" провода (толстый слой изоляции с малым сечением медных жил).

Отечественные провода такого же диаметра (по изоляции) имеют погонное сопротивление в два и более раз меньше, чем "китайские". Чтобы милливольтметр не вывести из строя при отключении Rн, на время измерения выводы прибора шунтируют диодом КД2998 (подойдет и любой другой с током >10 А), как это показано на рис.1.

Особую ценность ГСТ представляет при проверке разъемных соединений б/у и контактов реле. Сразу же обнаруживаются те контакты, которые требуют очистки или замены. Вот лишь несколько примеров. Широко распространенные тумблеры типов ТВ, ТП, МТ, ПТ и пр. Со временем у них переходное сопротивление увеличивается от 3...5 мОм до 0,1 ...0,5 Ом и даже более!

Есть смысл нанести на корпус выключателя соответствующие надписи, которые и должны определять назначение (применение) выключателя. Часто очистка контактов реле давала хороший результат: обычно переходное сопротивление уменьшается в 2-10 раз (в зависимости от износа контактов). Уменьшение переходного сопротивления добивались и оптимальным прижимом контактов. Помните, что плохой контакт вызывает ускоренное разрушение контактирующих поверхностей.

О наболевшем. Люди приобретают обычные сетевые (220 В) вилки, розетки и выключатели, которые перегреваются при нагрузке более 1 кВт. Хотя на корпусах этих изделий и написаны обнадеживающие 6 А, но надписи не гарантируют надлежащего качества соединений.

Можно, конечно, проверять такие изделия, подключая их на 30...60 мин с нагрузкой 1 кВт (ожидая вероятного нагрева в дефектном соединении). А можно использовать ГСТ для измерения переходного сопротивления. Вопрос весьма актуален, ведь плохие контакты в нагрузке электросети 220 В нередко приводят к пожару.

А качество современных бытовых сетевых вилок, розеток и выключателей лишь снижается (экономия материалов, плохая сборка, отсутствие надежных пружинящих контактов).

О схемотехнике ГСТ

ГСТ выполнен на ОУ DA1 и мощном полевом транзисторе VT7, который обеспечивает требуемый ток в нагрузке. Поскольку на постоянном токе (наш случай) полевой транзистор по цепи затвора ток не потребляет, то ОУ работает фактически без нагрузки, что повышает надежность работы всего ГСТ.

Принципиальная схема стабилизатора тока для зарядки аккумуляторов и питания устройств

Рис. 1. Принципиальная схема стабилизатора тока для зарядки аккумуляторов и питания устройств.

R1 - 100 Ом С1 - 0,47 мкФ х 630 В
R2 - 300 Ом С2 - 0,47 мкФ х 160 В
R3, R4 - 120 Ом С3 - 100 мкФ х 25 В
R5 - 13 Ом С4 - 0,1 мкФ
R6 - 1,5 кОм С5 - 4700 пФ
R7 - 39 кОм* С6 - 100 мкФ х 25 В
R8 - 8 кОм* С7 - 0,1 мкФ
R9 - 1 кОм С8, С9, С10 - 4000 мкФ х 25 В
R10 - 100 кОм С11, С12 - 200 мкФ х 50 В
R11 - 1 кОм С13 - 4700 пФ
R12 - 13 Ом  
R13 - 1 кОм VD1...VD4 - КД2998Г
R14, R15 - 1 кОм VD5 - КЦ405В
R16 - 0,1 Ом VD6 - АЛ307
R17 - 9,2 кОм* VD7, VD8 - Д814Д
R18 - 800 Ом* VD9 - Д818Е
R19 - 330 Ом VD10 - КД2998Г
R20 - 3,3 кОм  
R21, R22 - 30 Ом VT1, VT2 - КТ502Д VT3, VT4 - КТ503Д
DA1 - КР140УД708 VT5 - КТ815Д VT6 - КТ814Г
PA1 - М4204-100 мкА PV1 - М903/4-15 В T1 - ТС-180-2 VT7 - IRFZ48N SA1, SA2 - ТП1-2

ОУ управляет проводимостью полевого транзистора, что и определяет ток в нагрузке Rh.

ГСТ имеет два поддиапазона регулирования тока. В показанном на схеме положении переключателя SA2 имеем 0...2 А. Второй поддиапазон - до 10 А.

Датчик тока (резистор R16) используется как для схемы ГСТ, так и в качестве шунта амперметра. Источник опорного напряжения собран на прецизионном стабилитроне VD9 типа Д818Е и генераторе тока, который, в свою очередь, собран на транзисторах VT1-VT4 (заимствован из [3]).

Эта схема незаслуженно забыта радиолюбителями. Она обладает большей стабильностью параметров, чем однотранзисторные схемы ГСТ. Стабильность выходного тока ГСТ в цепи Rh практически полностью определяется стабильностью напряжения на неинвертирующем входе ОУ, т.е. стабильностью ИОН.

Стабильность показаний амперметра РА1 зависит от стабильности элементов R16-R18.

Детали

Вместо ОУ КР140УД708 устанавливали также К140УД7. Полевой транзистор IRFZ46 (КП741А, Б), IRFZ44(КП723А), IRFZ45 (КП723Б), IRFZ40 (КП723В), IRF540 (КП746А), IRF541 (КП746Б), IRF542 (КП746В), IRFP150 (КП747А) и т.д.

Полевой транзистор выбран из соображений максимальной надежности и простоты конструкции. При отсутствии полевого транзистора его вполне можно заменить двумя транзисторами, как показано на рис.2. Однако транзистор КТ827А здесь работает в режимах, близких к предельным (когда ток в нагрузке равен 10 А).

Выгодно заменить КТ827А двумя транзисторами. Так и поступали радиолюбители, повторявшие схему ГСТ (рис.1) и не имевшие полевых транзисторов (рис.3).

Транзистор VT7 должен быть снабжен хорошим теплоотводом с поверхностью не менее 2000 см2. Транзисторы VT1, VT2 типов КТ3107, КТ361 с любыми буквенными индексами. Транзисторы VT3, VT4 типов КТ3102, КТ315 с любыми буквенными индексами. Сюда хорошо подходят и КТ502, КТ503. Транзистор VT5 типа КТ815, КТ817; транзистор VT6 типа КТ814, КТ816.

Схема для замены мощного полевого транзистора двумя кремниевыми

Рис. 2. Схема для замены мощного полевого транзистора двумя кремниевыми.

Мощная замена полевого транзистора тремя кремниевыми

Рис. 3. Мощная замена полевого транзистора тремя кремниевыми.

О диодах выпрямителя. Подойдут любые мощные диоды с током более 10 А. Если мощные диоды все-таки не удалось приобрести (на периферии их купить просто нереально), то используют старую и проверенную временем схему (рис.4) работы двух диодных мостов на одну общую нагрузку (параллельный режим).

Схема рис.5 преследует ту же цель, что и схема рис.4, но резисторы включены таким образом, чтобы все 8 диодов были размещены на трех радиаторах, как и диоды обычного моста. Однако здесь число резисторов уже 8 (вместо 4 на рис.4).

Для схемы рис.1 сопротивления резисторов R1-R4 (рис.4) и R1-R8 (рис.5) не должны превышать 0,1 Ом (их диапазон 0,03...0,1 Ом, но они должны быть одинаковыми).

В схеме рис.4 эксплуатируются также и мосты КЦ402, КЦ405 (R1-R4 равны 0,5... 1 Ом) и другие диоды (для КЦ402, 405 сумма токов не превышает 2 А).

Выпрямитель на диодных мостах

Рис. 4. Выпрямитель на диодных мостах.

Выпрямитель на диодах

Рис. 5. Выпрямитель на диодах.

Проволочные резисторы изготавливались из недефицитного нихромового провода диаметром более 1,5 мм. Претензий к стабильности резистора R16 не будет, если выполнить его надлежащим образом (при токе 10 А на нем рассеивается мощность 10 Вт). Нихром по ТКС в 30 раз хуже константана, в 3 раза хуже манганина, но в 26 раз стабильнее меди.

Чтобы догнать по стабильности манганин, нужно уменьшить температуру (мощность на резисторе). Включенные параллельно 4 резистора из нихрома решают эту задачу. Ведь манганиновые или константановые шунты на периферии дефицитны. Кроме того, максимальная рабочая температура манганина менее 100°С, а у нихрома -900°С.

Подготовленные вышеуказанным способом шунты будут практически "вечными" (2,5 Вт мощности на каждом не вызовут большого нагрева). Резисторы R7, R8 и R17, R18 составлены из резисторов типа С2-13, так как стабильность их сопротивления определяет стабильность выходного тока ГСТ и, соответственно, показаний амперметра. Все остальные резисторы типа МЛТ, кроме проволочного R9 типа ПП2-12.

Электролитические конденсаторы С8-С10 широкодоступные типа К50-35 или К50-6. Уменьшать их суммарную емкость нельзя, поскольку в нагрузку ^н) станут проникать пульсации и появятся погрешности в работе ГСТ (при величине тока, близкой к 10 А). Кроме того, недостаточная емкость выпрямителя не позволит получить и выходной ток 10 А (при указанной величине переменного напряжения II обмотки сетевого трансформатора).

Если ГСТ не будет эксплуатироваться в качестве зарядного устройства 12-вольтовых аккумуляторов, то напряжение обмотки II следует уменьшить.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Рис. 6. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Проверять диоды, различные контактные соединения можно и при напряжении обмотки II в несколько вольт. На практике снижали это напряжение до 6 В (при нагрузке 10 А).

Базовый вариант данного ГСТ содержал трансформатор, обмотка II которого при токе 10 А должна давать не менее 10,25 В. Обмотку II выполняли с отводом, когда нужно было получить ток более 10 А в режиме миллиомметра, сохранив ГСТ и как зарядное устройство для 12-вольтовых аккумуляторов.

Небольшое "ноу-хау" заключается в том, что проверять мощные контактные (разъемные) соединения лучше при токе, значительно превышающем паспортное значение. Например, на вилке указано 6 А, значит, надежность соединения нужно проверять при токе 10...20 А.

В этом случае некондиционное разъемное соединение сразу себя выдает. А таких новых некондиционных вилок, розеток и выключателей на рынке появилось множество!

О трансформаторе Т1. Первый (базовый) вариант ГСТ был собран на довольно малогабаритном трансформаторе мощностью всего 160 ВА. Надпись на нем: "ТБС3-0,16У3 Р160 VA 50-60 Hz. ГОСТ.5.1360-72". В нем использовано ШЛ-железо.

По объему он меньше, чем ТС-180, и работает бесшумно, чего не скажешь о ТС-180. Вторичные обмотки намотаны заново. Обмотка II содержит 45 витков ПЭВ-1,4 мм в два провода.

Напряжение холостого хода 11,5 В. Под нагрузкой 10 А выходное напряжение не менее 10,25 В, но в случае если в диодном мосте установлены диоды Шот-ки (КД2998, 2991).

Для кремниевых Д242, 243 напряжение в обмотке II увеличивали на 2,5 В. Если диоды в схемах рис.4 и рис.5 подобраны в пары, то резисторы R1-R4 (рис.4) и R1-R8 (рис.5) можно удалить (закоротить). На практике это делали лишь с параллельными диодами, имеющими разброс Uпр не более чем на 5%. Обмотка III Т1 содержит 78 витков двойным проводом ПЭЛШО-0,41. Отвод от обмотки II для тока 20 А (на схеме не показан) делали от 28 витка.

Можно использовать и трансформатор ТС-180-2. Обмотки 9-10 и 9'-10' соединяли последовательно. По ТУ у них 6,4 В и ток нагрузки 4,7 А. Они содержат по 23 витка провода 01,55 мм. При токе 10 А их эксплуатировать нельзя, но на короткое время можно.

В качестве обмотки III использовали обмотки 5-6, 5'-6' и 11-12, 11'-12', соединив их последовательно (5-6 с обмоткой 11-12 и 5'-6' с обмоткой 11'-12'). Обмотки 11-12 дают по 6,4 В каждая, только 11'-12' рассчитана на ток 0,3 А, а 11-12 - на 1,5 А. При токе 10 А самые "горячие" обмотки 9-10 (уже через несколько минут), но поскольку они расположены в самом верхнем слое, то их охлаждение наилучшее. Для дополнительного отвода тепла наружный слой бумаги (вместе с этикеткой) удаляли на каждой катушке ТС-180.

Когда ГСТ изготовляли только для прозвонки низкоомных соединений, то мостовой выпрямитель заменяли двухполупери-одной схемой со средней точкой (рис.6). Здесь так же, как и в схемах рис.4 и рис.5, устанавливали по 2 шт. Д242А в параллель. Для всех диодов здесь нужен один радиатор.

Главное в данной ситуации (применительно к ТС-180) заключается в том, что теперь номинальный ток с обмоток уже не 4,7 А, а более 7 А. Согласно [4], имеем выигрыш по току в 1,4 раза относительно одной обмотки 9-10.

Небольшое отступление

Эмальпровод нынче воистину позолоченный: за 1 кг нужно выложить до 5 у.е. За эти деньги реально приобрести 2-4 шт. трансформаторов ТС-180, в которых провода не меньше.

Все иные варианты ГСТ выполнялись в основном на более мощной основе (перемотанный Т С-270-1 или тороидальные трансформаторы), т.е. вторичные обмотки были намотаны заново. Если нет в наличии эмальпровода, то можно использовать практически любой одно-, многожильный медный или алюминиевый провод. Главное, чтобы было набрано требуемое сечение.

Ориентир простой - медная жила диаметром 2 мм для тока не более 10 А. Очень полезна информация по сетевым трансформаторам [5].

О проволочных резисторах (кроме R16). Все они могут быть и медными, т.е. на практике использовали отрезки медного провода 00,4...0,6 мм. Последний при длине 1 м дает сопротивление 0,058 Ом, при длине 120 см - 0,07 Ом. Пропускание тока (из-за ТКС меди) вызывает увеличение сопротивления до 0,092 Ом.

Таким образом, отрезка эмальпровода 00,6 мм и длиной 50.100 см более чем достаточно для данных схем выпрямителей. Длина отрезка не должна смущать, так как провод легко размещается на каркасе диаметром более 1 см.

В схеме рис.6 выгодно использовать "таблетки" - КД213, КД2997, 2999. Две "таблетки" на одном радиаторе удобно располагать именно для таких корпусов, как КД213. Везде, где только можно (по напряжению), есть смысл применять диоды с барьером Шотки.

При покупке КД2998 обязательно проверяют его на величину Rобр.

Помните, что перегрев - смерть всех радиокомпонентов. С ростом температуры деградируют p-n-переходы, увеличивается число отказов. Не нужно ориентироваться на завод-изготовитель, у которого основная задача - минимизация расхода материалов и комплектующих, а нужно самим создавать запас надежности и прочности, где это возможно.

Печатная плата

Расположение элементов и рисунок печатной платы показаны на рис.7, 8.

Расположение деталей на печатной плате устройства

Рис. 7. Расположение деталей на печатной плате устройства.

Печатная плата устройства

Рис. 7. Печатная плата устройства.

А.Г. Зызюк. г. Луцк, Украина. Электрик-2004-09,10.

Литература:

  1. Зызюк А. Подбор транзисторов для мощных УМЗЧ//Радіоаматор. - 2001. -№6. - С.7.
  2. Зызюк А.Г. Переносной вариант измерителя икэ.макс//Электрик. - 2002. -№8. - С.8.
  3. Двухполюсный генератор стабильного тока//Радио. - 1981. - №4. - С.61.
  4. Шейкина Т.С. Эксплуатация электропитающих установок систем передачи. - М.: Радио и связь, 1982.
  5. Силовые трансформаторы типа ТС//Электрик. - 2003. - №11. - С.20.
  6. Зызюк А.Г. О трансформаторах//Радіоаматор. - 1998. - №2. - С.37.
1 658 Зарядные устройства
зарядное устройство стабилизатор тока блок питания
pcbway
х (мм)
Получи купон на $5.00!
Написать комментарий:

cashback