Плата-конструктор регулируемого блока питания, или правильный блок питания должен быть тяжелым часть 2

Я думаю что некоторые читатели еще помнят мой обзор конструктора для сборки линейного лабораторного блока питания. Плата, несмотря на свои некоторые недоработки, получилась довольно интересной.
Когда мне товарищ дал ссылку обозреваемый конструктор, то первая мысль была — да это та же плата, но в реальности все оказалось немного по другому.
В общем кому интересна подобная тема и кто хочет узнать как собрать небольшой лабораторный блок питания, прошу под кат.


С обзорами различной бытовой электроники я как то отошел от свой привычной темы блоков питания. Я делал уже много обзоров как на регулируемый, так и на обычные блоки питания.
Но пройти мимо этого конструктора я не смог, думаю вы меня поймете.
В обзоре будет не только плата для сборки блока питания, а и некоторые дополнительные товары, которые я также осмотрю, покажу и выскажу свое мнение. Часть мне дали в магазине Банггуд для этого обзора, часть куплена у нас в оффлайне.

Так как многие конструкторы уже раньше были в виде разработок энтузиастов, а потом были скопированы китайскими производителями, то я провел небольшое расследование, чтобы узнать «откуда ноги растут» у данного конструктора и кое что нарыл :)

Но давайте будем последовательны, зачем нарушать привычный ход обзора.

Как всегда сначала пару слов об упаковке.
Так как товары шли с разных складов, то прислали несколько посылок, лишь только в одной было два товара сразу.
Возможно мне показалось, но вроде магазин стал более тщательно упаковывать товары.


Для начала конечно плата блока питания. Плата упакована в индивидуальную картонную коробочку, внутри антистатический пакет.


Внутри пакета все просто лежит само по себе и если высыпать на стол содержимое, то будет вот такая кучка.


Вспомнив известную картинку с игрушками в песочнице, привел все в порядок, разложив более аккуратно :)
Вот на этой фотографии и становятся заметны первые отличия от предыдущего варианта блока питания. Здесь цифровое управление и соответственно присутствует ЖК дисплей.
Кроме того производитель разбил конструкцию на две платы. Одна плата силовая, вторая — управления.


Рассмотрим платы немного внимательнее.
Качество изготовления обеих плат отличное, присутствует маска и шелкография с обозначением номиналов установленных элементов, потому схема даже и не нужна, впрочем ее и не дают в комплекте. Материал платы — текстолит, а не дешевый гетинакс, что тоже является большим плюсом хоть для новичка, хоть для опытного радиолюбителя.

Силовая плата.
Размеры 84х67мм.
Эта плата изначально мне очень напомнила плату из предыдущего обзора. Сначала я даже подумал, что это она и есть, только к ней прикрутили цифровое управление, но на самом деле блоки питания кардинально разные.



Плата управления.
Размеры платы немного меньше, 80х56мм.
На плате сразу видны места под два энкодера, а также большое количество резисторов.



Так как схемы в комплекте не было, то я начертил свою. Возможно где то мог допустить ошибку, но старался быть максимально точным. Если заметили ошибку, пишите, исправлю.

Изначально планировал разбить схему на составные узлы, но сначала приведу полный вариант.
Что удивило:
Выходной конденсатор имеет емкость всего 100нФ.
Кроме входного, на плате отсутствуют электролитические конденсаторы.
Экономные китайские инженеры поставили параллельно контактам термореле конденсатор.


Как я писал в самом начале, схема не является чем то новым, потому был найден и оригинал.
Схема обозреваемой платы несколько доработана и изменена, но все равно можно увидеть что принципиально они почти одинаковые.
Схема была найдена здесь и здесь, причем даже с исходниками. Кроме того в оригинале устройство даже поддерживает работу с компьютером, но эта функция не проверялась.


Схемное решение устройства очень простое. «Сердцем» является микроконтроллер, к которому подключен ЦАП (цифро аналоговый преобразователь) в виде R2R матрицы.
Меняя код на выходе микроконтроллера мы можем получать изменяемое постоянное напряжение на выходе. Такие ЦАПы просты, но требуют большого количества выходов микроконтроллера, так как каждый разряд требует отдельного выхода, а чем больше разрядов, тем больше точность установки выходного напряжения.
В данном устройстве реализован 10 бит ЦАП, т.е. можно получить 1024 уровня напряжения.
Применительно к данному БП можно получить дискретность установки напряжения 0,027 Вольта и тока 0,002 Ампера.
На самом деле регулировка позволяет выставлять напряжение с дискретностью 0.1 Вольта, а ток 0.01 Ампера. В большинстве ситуаций этого хватает.


А вот ключевое отличие содержится не в том, как формируется напряжение для регулировки, а как происходит обратная связь.
Дело в том, что чаще всего микроконтроллер выдает опорное напряжение, которое потом сравнивается с реальным при помощи операционного усилителя и в итоге мы получаем стабилизированное напряжение или ток.
Опорное напряжение при этом формируется чаще всего при помощи ШИМ с интегрированием (усреднением) на конденсаторе.
Но в таком варианте надо 2 ЦАП, один для тока, второй для напряжения. А так как разработчик решил применить другой принцип формирования, то два ЦАП с R2R матрицей просто не вышло бы. Собственно потому сравнением также занимается микроконтроллер.


Такой способ регулирования обычно медленнее, чем более привычный с применением операционного усилителя. Но разработчик применил свое программное решение, где есть два цикла работы, быстрый и медленный.
Как я понимаю, быстрый цикл работает работает более грубо, чтобы обеспечить скорость, а медленный потом устанавливает напряжение более точно.
Так как я не программист, то пишу как понял. возможно знающие люди смогут понять больше из приведенной программы и описания — ссылка.


Напряжение после ЦАПа, поступает на силовой узел.
В реальности силовой узел обозреваемой платы решен чуть по другому, в усилителе тока применили силовой транзистор другой проводимости и немного изменили схему, но принцип действия остался абсолютно тем же.
Выходное напряжение с ЦАПа поступает на усилитель напряжения, нам ведь мало диапазона 0-2.5 Вольта, потому сначала оно усиливается до уровня около 0-30 Вольт (левая часть схемы).
Но так как усилитель напряжения не может обеспечить требуемый ток, то дальше стоит усилитель тока, он почти не меняет напряжение и потому на выходе обеспечивает заданные 0-28 Вольт, но уже с током нагрузки до 2 Ампер.
В описании схемы на страничке разработчика приведено два варианта решения, 22 Вольт 2.5 Ампера и 28 Вольт 2 Ампера.
2 Ампера ток не очень большой для лабораторного БП, но думаю что при желании можно доработать прошивку и получить больший ток.


При всей своей кажущейся громоздкости схема устройства предельно проста.
Для примера я разбил схему на составные узлы:
Красный цвет — усилитель тока
Синий цвет — ЦАП и усилитель напряжения
Зеленый цвет — обратная связь по напряжению
Розовый цвет — обратная связь по току.


С теорией вроде немного разобрались, хотя и будем возвращаться к ней эпизодически, но пора приступать к сборке.
Первым делом находим все резисторы, которые идут в комплекте, заодно я попробую показать, как можно собрать такую плату не прибегая к тестеру для измерения сопротивлений «полосатых» резисторов.
Все компоненты, до определенного этапа, я только вставляю в плату (набиваю) и только потом запаиваю. Я знаю что некоторые делают иначе, но я так привык, ничего не могу поделать :)

Эту часть процесса я спрячу под спойлер, так как фотографий много.


Основная часть сборки плат окончена, в конце этого этапа у нас должно остаться три вещи, мощный транзистор, термовыключатель и шлейф.
Если у вас осталось что то еще, то два варианта, либо положили лишнее, либо где то забыли впаять, первый вариант предпочтительнее :)


Вообще сначала надо было собрать все, установить транзистор на радиатор и только потом пробовать. Но я не удержался и попробовал сразу после сборки, просто вставил мощный транзистор в отверстия. Но лучше так не делать :)
Справедливости ради стоит сказать, что при первом включении я получил просто равномерно подсвеченный дисплей. Если все собрано правильно, то просто надо отрегулировать контрастность при помощи подстроечного резистора на плате управления до получения нормальной видимости.


Устройство работает, ну по крайней мере пока старательно делает вид, что работает, а я перейду к описанию того, что заказал еще.



Также мне пришлось зайти на рынок и купить еще некоторые вещи для этого блока питания.
На самом деле так получилось, что на фото есть то, что я не применял, и нет некоторых компонентов, которые применил. Не всегда получается заранее на 100% продумать что понадобится в процессе сборки.
Но в любом случае я постараюсь все рассказать и показать.
Из того что было куплено пригодилось:
1. Трансформатор
2. Вентилятор с сеточкой.
3. Пара ручек
4. Выключатель питания
5. Разъем.


Трансформатор я решил покупать в оффлайне по нескольким причинам.
1. У нас они дешевле
2. Качество наших трансформаторов куда выше, чем у ширпотреба из Китая.

Я выбрал трансформатор с напряжением 24 Вольта и током чуть больше 4 Ампер (100 Ватт).
Ссылка на трансформатор, цена около 13 долларов. Вообще выбор в магазине был довольно большой, но полностью подошел мне только этот.


Изначально хотел применить лежавший у меня трансформатор 12 Вольт 60 Ватт, но для БП надо было трансформатор минимум 65-70 Ватт, а ведь хотелось еще и доработок, которым тоже необходимо чем то питаться…


Вес 60 Ватт трансформатора в сравнении со 100 Ватт. Если вычесть из веса 60 Ватт трансформатора домотанную проволоку и разъем, то получим разницу примерно в 1.5 раза.


При сборке как всегда были муки выбора, например как лучше расположить «начинку» внутри корпуса.
Сначала было четыре вполне рабочих варианта, все они имели свои плюсы и минусы, но но все время было чувство, что получается ерунда.


В итоге я пришел к такому расположению радиатора, трансформатора и плат, мне это показалось оптимальным.


Меня часто спрашивали, что делать если есть неизвестный трансформатор и подойдет ли он. В качестве помощи снял отдельное видео.


Вообще изначально разработчик предполагал питание от импульсного БП, даже рекомендовал точку установки помехоподавляющего конденсатора.
Но на мой взгляд, зачем портить линейный БП питанием от импульсного источника, если делать, так серьезно :)


Кстати, выше заметно что радиатор совсем маленький, явно не на эту мощность.
Дело в том, что в режиме КЗ и максимальном токе, на радиаторе рассеивается около 60 Ватт, а на фото радиатор максимум на 10.
В описаловке от магазина радиатор с вентилятором, но все равно смешной, да еще и внутри корпуса.
Вот что понравилось, так это выходные клеммы, надо себе таких купить где нибудь.
Кстати на фото корпус такой же как в обзоре, для сравнения :)


Дальше меня подстерегала еще одна проблема. Радиаторы то с вертикальными ребрами, а в мою концепцию они ну никак не вписывались, пришлось резать. Вот на этом этапе я сказал спасибо тому, что тело радиатора тонкое. Как говорится — не было счастья, так несчастье помогло.
Кстати, почему то радиатора с ребрами вдоль длинной стороны попадаются куда реже чем те, что в обзоре.


Затем я взял небольшую шпильку М3, которая по сути является обкушенным винтом.


В крайних отверстиях радиатора нарезал соответствующую резьбу на длину чуть больше половины шпильки, чтобы даже в худшем варианте не вкрутить ее полностью в одну половинку.


После этого вкрутил шпильку на половину длины в один радиатор. Чтобы не сорвать резьбу можно накрутить две гайки и затянуть их друг к другу около края шпильки, а затем крутить за крайнюю гайку.


Скручиваем все вместе. В самом конце радиаторы уже уперлись друг в друга, а нужное положение не было достигнуто, пришлось применить силу, резьба была на пределе чтобы не сорваться, но в нашем случае это непринципиально.
Шпилька была нужна затем, чтобы держать радиаторы в одной плоскости и добавить жесткость конструкции.


В конце я взял кусочек алюминиевой пластинки, которая изначально выполняла функцию радиатора, просверлил четыре отверстия и намазал термопастой.
Изначально был выбор, пластинка толще, но более жесткая или тонкая, но более мягкая. Я предпочел второй вариант, так как жесткость я увеличил шпилькой, а лишняя толщина мне ни к чему.


Примеряем то, что получилось, идея думаю уже понятна.


Переходим к изготовлению задней панели.
Расчерчиваем все необходимые отверстия, отверстие для вентилятора усечено сверху и снизу, чтобы не ослаблять конструкцию задней панели.


Немного отвлекусь.
Меня иногда спрашивают про то, какие вентиляторы лучше.
Я применяю вентиляторы фирмы Sunon, так как считаю их лучшими на нашем рынке. Для обзора я купил 12 Вольт вентилятор размером 50мм.
На всякий случай ссылка на него и на решетку. Вентилятор примерно 3.5 бакса, решетка около 0.4.
Решетки бывают 50 и 52мм, я покупал 50мм.


Изначально хотел применить вентилятор 60мм, но он был совсем впритирку, не хотел рисковать.


Вентилятор изготовлен по технологии maglev, что уменьшает шум и увеличивает срок службы.
С одним я прогадал, хотел получить большой поток воздуха, а в итоге перестарался, на максимальной мощности шум от вентилятора очень большой, надо было выбрать другую модель.


Как я писал выше, вентилятор на 12 Вольт, мне это добавило своих проблем, так как плата рассчитана на 24 Вольта. Соответственно надо было понижать напряжение и лучше для этого знать ток, так как от него зависит рассеиваемая на стабилизаторе мощность.
Удивило то, что стартует вентилятор при напряжении 2.7 Вольта и при этом уже обеспечивает неплохой поток воздуха, при 12-15 его уже сдувает, пришлось упереть в провод.
В общем если выбирать вентилятор, то мне кажется что лучше у нас не найти, правда цена на них выше чем на компьютерный ширпотреб, но они того стоят.


Устанавливаем транзистор на радиатор. Транзистор изолирован от радиатора при помощи тонкой слюды, так как винты будут торчать наружу корпуса и мне не хотелось бы потом что то случайно закоротить.
В данном БП применен транзистор противоположной проводимости (pnp), чем был в предыдущем БП (npn).
Причем интересно то, что в оригинале схемы применен npn транзистор.
Транзистор имеет максимальный длительный ток коллектора до 10 Ампер, напряжение до 140 Вольт, а рассеиваемую мощность до 100 Ватт, что с большим запасом для данного БП.


Для сборки мне понадобились винты М4х50мм, а также М3х10 с потайной шляпкой.
Изначально думал поставить более короткие М3 черного цвета (они на фото), но к сожалению не хватило 1мм длины, с ними было бы аккуратнее.


В итоге получилась такая вот конструкция, винты М4х50 собирают всю конструкцию в «бутерброд».
Вентилятор пришлось установить так, что он выдувает воздух из корпуса. Конечно это далеко не лучшее решение в плане эффективности, но я не смог придумать как можно все собрать так, чтобы вентилятор дул на радиатор.



К сожалению магазин не предлагает оправок для крепления трансформатора (было бы куда удобнее), потому пришлось поступить по своему. Сделал шесть отверстий и приклеил полоски толстого двухстороннего скотча.


Затем стянул все широкими стяжками. Стяжки прижимают трансформатор, а скотч не дает ему сдвигаться. Под стяжки надо проложить изоленту или тонкую резину, вспомнил когда одну стяжку затянул, а так как стяжек оставалось четыре, и одна в итоге лопнула, то пришлось пока оставить так как есть.
Синий провод от трансформатора идет не просто так, позже расскажу про него.


Передняя панель.
Для разметки отверстий я использую черновик шаблона передней панели, фото не сохранилось, но идея думаю понятна.




Переходим к окончательной сборке и тестам.
Полусобранный вид, плата нашла свое место :) В корпусе совпало два установочных отверстия с отверстиями для радиатора на плате.


Первое включение в корпусе.
Для подстройки блока питания на силовой плате есть подстроечный резистор.
Выставляем при помощи энкодера какое нибудь фиксированное напряжение, например 5-10-15 Вольт и подключив мультиметр к выходу, при помощи резистора добиваемся чтобы мультиметр отображал то, что установлено, все.


Тестировать я буду при помощи электронной нагрузки, но уже видно что блок питания вполне держит заявленную мощность.


Тесты.


«Приколхозил» дополнительный конденсатор (я о нем писал выше), с ним при полной нагрузке напряжение будет чуть выше, да и просто он уже был :)


Все, вот что вышло в итоге.
На фото в районе разъема вентилятора видно пару резисторов. Данные резисторы включены параллельно термовыключателю.
Совсем забыл. В комплекте к плате идет термовыключатель на 50 градусов, для включения вентилятора. Я закрепил термовыключатель около мощного транзистора, прижал его скобкой к радиатору. Термовыключатель был в силиконовой трубке, ее надо оставить, так как один из выводов имеет контакт с корпусом. прижимная скоба должна быть такой, чтобы не прорезала изоляцию.
Резисторы параллельно стоят для того, чтобы вентилятор работал постоянно на малых оборотах, так он реже будет включаться на полную мощность.


Не забываем изолировать оголенные контакты, особенно соединенные с сетью.
На предохранитель входной провод лучше заводить на крайний контакт, так безопаснее.


Наверняка внимательные читатели заметили на предыдущих фото реле.
Дело в том, что линейный БП всю «лишнюю» энергию рассеивает в виде тепла и чтобы этого тепла было меньше, я сделал небольшую доработку.
От трансформатора сделал отвод с напряжением около 16 Вольт (при общем напряжении 27 на холостом ходу), а реле переключает обмотки в зависимости от выходного напряжения. Для поиска необходимого места для отвода я использовал острую иглу и мультиметр. Один щуп мультиметра соединяем с любым выводом вторичной обмотки, а вторым щупом с иглой ищем подходящее напряжение протыкая лак на проводе. Стоит учесть, что искать надо разницу, так проще. Для пример трансформатор дает 27 Вольт, надо 17, ищем 17 или 10, во втором варианте будет тоже 17, но относительно другого вывода вторичной обмотки.
Протыкать лак иглой надо очень аккуратно, так как лак прочный и игла может соскользнуть и проткнуть первичную обмотку.

Изначально думал поставить компаратор, даже купил его и возможно поставлю, но решил упростить.
Чтобы реле не клацало постоянно туда-сюда, применяют гистерезис, включаем при одном напряжении, а выключаем при другом. Но электромагнитное реле само по себе имеет гистерезис.
Например я применил реле Finder на 24 Вольта, включается оно при 13 Вольт, а выключается при 6 Вольт. Пороги конечно не очень удобные, куда лучше было бы сделать 12-15, но что есть, компаратор сделаю потом, там можно задать как удобно. Но даже так рассеиваемая мощность при низком выходном получается ниже, что уже хорошо.
Реле подключено к плюсу выхода и минусу диодного моста, чтобы его ток потребления не отражался на индикации.


Кроме того я подключил кнопку включения нагрузки, но решил не подключать ее в разрыв силового провода, а сделать красивее.
С платы управления выходит напряжение регулирования, если его замкнуть на землю, то на выходе будет ноль.
В таком варианте можно спокойно выставить необходимые параметры на выходе, а потом просто щелкнуть выключателем и получить установленное.


И что получилось в итоге.
Для энкодеров я использовал такие ручки, но их пришлось немного укоротить, так как энкодеры утоплены очень глубоко и ручки плохо держались, в остальном проблем не было.




Изменений в схеме было не очень много, тем более что добавление стабилизатора 12 Вольт вообще обусловлено примененным вентилятором, но на всякий случай внес их в принципиальную схему.
Все добавления и изменения обозначены красным цветом.


Как-то обзор получился совсем большим, все время ждал уведомления о превышении лимита количества знаков. Но для тех кто не любит длинные обзоры, сделал мини версию в четырех фотографиях :)))


Немного о будущих доработках. Хочу сделать нормальное переключение обмоток, а также добавить пару выходов с фиксированным напряжением и индикатор тока нагрузки этих выходов. Собственно для этого оставлено свободное место на передней панели. Но выходы делать придется отключаемыми, так как понижать придется скорее всего при помощи ШИМ преобразователя и возможны помехи.
Возможно добавлю регулятор оборотов вентилятора, но пока и так устраивает.
В качестве дополнительных материалов предлагаю все что я собрал по этому БП, а также несколько даташитов, мой вариант схемы и передней панели — ссылка.

Ну а теперь можно попробовать подвести итоги этого длинного обзора. Не буду расписывать плюсы и минусы дополнительных товаров, их я показал в самом обзоре, выскажусь только по плате блока питания.
Плюсы
Очень хорошее качество изготовления печатных плат
Неплохое качество комплектующих
При правильной сборке нормально работает
Настройка минимальна и предельно проста
Возможность установки тока без подключения нагрузки
Точная регулировка выходного напряжения и тока
Нет необходимости покупать вольтметр и амперметр
Термореле для автоматического включения вентилятора

Минусы
Выходной ток всего 2 Ампера
Чувствительный переход между точной и грубой настройкой выходного напряжения и тока
Отсутствие схемы в комплекте, инструкция по сборке есть в электронном виде.

Мое мнение. Конструктор однозначно интересный. По сути здесь есть все, что необходимо для сборки блока питания, дополнительно надо только трансформатор, радиатор и корпус. В прошлый раз часто спрашивали как применить вместо трансформатора импульсный БП, здесь такой проблемы нет, БП может быть любым. Также были вопросы по добавлению индикации тока и напряжения, здесь уже «все включено», ну и приятный бонус в виде энкодеров, не нужны многооборотные резисторы. Для меня большим плюсом является то, что можно сначала выставить необходимый ток, а только потом подключить нагрузку, в прошлом БП это было невозможно, особенно при наличии многооборотных резисторов.
Ну и как не отметить то, что к этому конструктору есть исходный вариант программы (правда без энкодеров), который можно при желании доработать под себя. В теории, после доработки, можно подключить и к компьютеру, но мне кажется что в данном случае это уже лишнее.
Из минусов пожалуй отмечу только то, что цифровая обратная связь все таки медленнее аналоговой, здесь никуда не деться, по крайней мере дешевыми способами.

Конечно будут комментарии вида — да за хх баксов можно купить готовый БП. Конечно, так и есть, спорить не буду, можно купить, но ведь не все покупается за деньги. А как же удовольствие от процесса сборки, от полученного результата, да и просто от приятно проведенного времени, сколько это стоит?

На кого ориентирован данный конструктор. Мне кажется что в первую очередь на начинающих радиолюбителей. Как вариант, можно подарить подростку, интересующемуся радиоэлектроникой, стыдно за такой подарок точно не будет. Также такой конструктор может подойти и более опытным, просто в качестве полезной вещи и приятно проведенного времени.

На этом наверное все, жду как всегда комментариев и вопросов, надеюсь что обзор был полезен и интересен.