Небольшой высоковольтный источник питания

Иногда на рабочем столе требуется маломощный источник с относительно высоким выходным напряжением – до нескольких сотен вольт. Например, для проверки стабилитронов или варисторов, измерения тока утечки конденсаторов, питания газоразрядных или электронных ламп и прочего. Лабораторные источники, которые используются повседневно, обычно имеют слишком низкое выходное напряжение и для этих целей не подходят. Поэтому я решил собрать отдельный, очень простой и дешевый высоковольтный источник.



Выходное напряжение решил сделать регулируемым в пределах 0…+250 В, этого для моих задач достаточно. Большой выходной ток здесь не нужен, его можно ограничить на уровне примерно 10 – 20 мА, что одновременно будет работать и как защита от короткого замыкания.

Поскольку мне не хотелось добавлять на рабочий стол лишний источник помех, от импульсного источника я отказался в пользу линейного. Никаких трансформаторов мотать тоже не хотелось, поэтому для получения высокого напряжения решил применить умножитель, используя трансформатор с относительно низковольтными обмотками. Для источника ничего специально не покупалось, он был полностью собран из того, что было под рукой. А под рукой оказался трансформатор ТПГ-121-766Р мощностью 4.5 Вт, имеющий две обмотки по 15 В и одну 8 В. Вокруг этого трансформатора и начал строить источник.


Две обмотки трансформатора по 15 В можно соединить последовательно, получится 30 В, этого уже вполне достаточно для последующего умножения. Напряжения для обмоток трансформатора указаны при номинальной нагрузке (для 15 В это 80 мА). Совсем без нагрузки там будет около 22.5 В, а при малой нагрузке – что-то среднее.

Начал с моделирования схемы в PSpice, для чего сначала измерил реальные параметры трансформатора. В данном случае важным является сопротивление всех обмоток и коэффициент трансформации. Сопротивление первичной обмотки приводится к вторичной через квадрат коэффициента трансформации и тоже влияет на внутреннее сопротивление. Влияет и индуктивность рассеяния, поэтому в модели задал коэффициент связи между обмотками меньше 1. Но здесь это не главный фактор. На модели с реальными параметрами трансформатора убедился, что достаточно будет умножителя из 8-ми диодов и конденсаторов. При токе нагрузки 10 мА напряжение (с учетом пульсаций) получается не менее 260 В, а размах пульсаций составляют около 20 В.



Для питания схемы управления требуется напряжение +5 В, оно получается с отдельной обмотки трансформатора с напряжением около 8 В. Выпрямленное напряжение с этой обмотки заодно добавляется к выходному напряжению умножителя – лишних 10 В там не помешают. Оно же поступает на стабилизатор 7805, на выходе которого получается +5 В. Раз тут есть такой стабилизатор, то будет полезно вывести это напряжение на одну из выходных клемм. Тогда получится БП с двумя выходными напряжениями: фиксированным +5 В и регулируемым 0…+250 В.

Трансформатор с тремя обмотками – редкость, просто у меня такой завалялся. Здесь можно обойтись и более распространенным трансформатором с двумя обмотками по 15 В. Их надо соединить последовательно, а напряжение для стабилизатора +5 В получить однополупериодным выпрямителем с точки соединения обмоток. Только в этом случае источник +5 В будет способен выдавать во внешнюю нагрузку несколько меньший ток.

После умножителя нужен регулируемый стабилизатор напряжения, который я тоже сначала промоделировал.


Это стабилизатор компенсационного типа. Регулирующий транзистор Q2 включен по схеме эмиттерного повторителя. Ограничение тока и защита от короткого замыкания реализована на транзисторе Q3. Когда падение напряжения на датчике тока R9 превысит примерно 0.65 В, транзистор Q3 начнет открываться и закрывать Q2. Ток дальше увеличиваться не будет. Порог срабатывания защиты определяется номиналом резистора R9 и в данном случае составляет около 20 мА.

В качестве усилителя ошибки используется ОУ U2A типа LM358. На один его вход подается напряжения с переменного резистора, которым регулируется выходное напряжение. На другой вход через делитель R10, R11 поступает напряжение обратной связи с выхода стабилизатора.

Регулирующий транзистор открывается током, который обеспечивает резистор R4. Этот ток способен «брать на себя» транзистор Q1. Когда он будет открываться, Q2 будет закрываться, а выходное напряжение – уменьшаться. Транзистор Q1 нужен высоковольтный, как и Q2.

Этого могло быть достаточно, на базу Q1 можно было подать напряжение с выхода ОУ, и стабилизатор работал бы (только поменять местами входы ОУ с учетом инверсии сигнала транзистором). Но здесь кроется одна коварная проблема.

Дело в том, что при выключении источника питания напряжение +5 В может пропасть раньше, чем напряжение на выходе умножителя (обычно так и происходит, потому что емкости умножителя долго хранят заряд). Что будет, когда ОУ останется без питания? Он не сможет выдавать ток в базу Q1, этот транзистор будет закрыт. А Q2 будет открыт. Это означает, что в момент выключения питания на выходе появится выброс напряжения. С этим мириться нельзя, такой выброс может повредить нагрузку.

Чтобы устранить проблему, в схему добавлен еще одни транзистор – Q4. Он может быть не высоковольтным, на нем больше 0.7 В не бывает. Когда он закрывается, то Q1 открывается током через резистор R12, закрывая при этом Q2. А это как раз и нужно – когда ОУ отключится, выходное напряжение тоже будет выключено.

Компоненты C11, C16, C17, R14 осуществляют частотную коррекцию стабилизатора. Не спрашивайте, как их подбирать, это почти чистая магия. Основная задача частотной коррекции – обеспечить достаточный запас устойчивости схемы. Причем в случае БП совершенно непонятно, для какого импеданса нагрузки это надо делать – на выход могут подключить что угодно, с любой комбинацией R, L и C.

Одновременно надо добиться красивой реакции на скачок тока нагрузки и скачок управляющего напряжения, что тоже косвенно говорит о запасе устойчивости. Еще надо получить как можно лучшее подавление пульсаций напряжения питания в как можно более широкой полосе частот. Во всем этом при желании можно застрять на бесконечно долгое время, и проект выйдет далеко за рамки конструкции выходного дня. Учитывая полную безответственность проекта, я меньше занимался расчетами и больше слушал внутренний голос.

На верхнем резисторе обратной связи R10 падает практически полное выходное напряжение, поэтому этот резистор будет не SMD, а обычный выводной. Конденсатор C11, параллельный этому резистору, тоже нужен высоковольтный, не менее 500 В. В запасах нашелся керамический конденсатор 820 пФ на 1 кВ, с него и начал. С остальными номиналами была полная свобода (любые номиналы SMD есть в наличии), путем нескольких итераций в симуляторе пришел к емкостям 1 нФ и резистору R14 4.7…10 кОм. Не утверждаю, что коррекция оптимальная, но она вполне приемлемая. Для резистивной нагрузки график петлевого усиления в дБ (зеленый) и график фазы в градусах (красный) выглядит так:


Ниже показана реакция на скачок управляющего напряжения, когда на выходе формируется импульс амплитудой 200 В. Как видно, выброс на выходе очень маленький.


Вот этот выброс в увеличенном виде. Его амплитуда примерно 1 В, что при выходном напряжении 200 В составляет 0.5%.


Для скачка тока нагрузки от 0 до 10 мА вообще ничего не могу показать, колебания напряжения меньше уровня пульсаций. Пульсации тоже очень низкие, при нагрузке 5 мА они составляют 0.7 мВ от пика до пика. При этом на выходе умножителя (и на входе стабилизатора) размах пульсаций примерно 15 В, что означает подавление пульсаций сетевой частоты на 86 дБ. Что очень неплохо.


Вроде, все устраивает, можно от виртуальной схемы в симуляторе переходить к реальной. Она будет мало чем отличаться.


В качестве регулирующего транзистора VT2 взял MJE13005DF в корпусе TO-220F. Это полностью изолированный корпус, что упрощает его установку на радиатор – не нужна изолирующая прокладка. Сам транзистор на 400 В, чего вполне достаточно. Второй высоковольтный транзистор VT1 взял MJE13003 в корпусе TO-126, его на радиатор ставить не надо. Транзистор тоже на 400 В. В схеме есть несколько резисторов, на которых будет высокое падение напряжения (R4, R12, R10). Их взял не SMD, а обычные выводные. Самая большая мощность рассеяния может быть у R4 (примерно 900 мВт), резистор взял с запасом – 2 Вт. На R10 рассеивается менее 150 мВт, но чтобы он поменьше грелся (а это повлияет на точность выходного напряжения), взял тоже 2 Вт. Хотя основная причина такого выбора – такие резисторы были под рукой.

Отдельный вопрос – выбор делителя обратной связи. Для ОУ LM358 при напряжении питания 5 В допустимый диапазон входного напряжения составляет примерно 3.5 В. Я выбрал диапазон еще меньше – 2.5 В. Такое напряжение будет на входе ОУ при выходном напряжении 250 В. Это потребовало несколько «кривого» номинала нижнего резистора делителя R11 – 4.75 кОм (470 кОм / 99). Этот резистор можно составить из двух. Но я просто выбрал резистор с нужным отклонением из резисторов 4.7 кОм, здесь требуется всего +1%. Вполне можно поставить просто 4.7 кОм, не прецизионный источник ведь делаем.

На другой вход ОУ должно подаваться опорное напряжение 0…2.5 В с регулятора. В качестве источника опорного напряжения используется стабилизатор +5 В. В простейшем случае можно было переменный резистор подключить к +5 В через резистор такого же номинала. Но разброс переменных резисторов обычно очень большой. К тому же, не хотелось привязываться к его конкретному номиналу, чтобы можно было поставить любой переменный резистор. Поэтому опорное напряжение делится с помощью отдельного делителя R5, R6, собранного из относительно точных резисторов. А затем через повторитель на второй половинке ОУ оно поступает на регулятор. Повторитель нужен для того, чтобы устранить влияние регулятора на делитель. Да и оставалась бесхозная половинка ОУ, надо же было ее куда-то применить?

Для индикации включения БП сначала я хотел поставить один светодиод, запитанный от источника +5 В. Но потом решил, что было бы неплохо индицировать и высокое напряжение. Светодиод своей яркостью может примерно показывать, что сейчас на выходе. Можно просто подключить светодиод через резистор на выход. Но рабочий ток светодиода сравним с максимальным выходным током источника, жалко столько терять в нагрузочной способности. Можно, конечно, было подобрать очень эффективный светодиод, работающий при малых токах. Но выбор светодиода здесь определяет исключительно эстетика, не хотелось сужать выбор. Планировался желтый светодиод с хорошо рассеивающим корпусом для равномерной засветки, таких среди эффективных нет. Поэтому было добавлено токовое зеркало на транзисторах VT5, VT6. От высоковольтного источника потребляется ток примерно 0...180 мкА, который отражается с коэффициентом около 45, что дает ток светодиода примерно 0...8 мА. Этого достаточно для любого типа светодиода. Ток питания светодиода забирается не от высоковольтного источника, а от источника + 5 В.

Принципиальная схема готова, можно переходить к конструкции. Для БП выбрал пластмассовый корпус Z-16 фирмы Kradex. В таком корпусе у меня уже собран маленький регулируемый двухполярный источник. Еще один такой же корпус долго валялся и ждал своего часа.


На задней панели будет сетевой шнур и клавишный выключатель питания. Предохранитель будет на печатной плате. На передней панели будет винтовой клеммник для подключения нагрузок, светодиод индикации напряжения +5 В, светодиод индикации высокого напряжения и регулятор выходного напряжения.

Наибольшие трудности вызвал поиск винтового клеммника. В основном в хозяйстве находились без «ушей» крепления. Но все же удалось найти один и с «ушами».


Все компоненты выбраны, теперь можно заняться дизайном передней панели. Сделать это надо перед разводкой печатных плат, так как расположение органов индикации и управления диктуется именно дизайном, а не разводкой.


Сейчас можно заняться и печатной платой. Плата здесь получается односторонней, что сильно упрощает ее изготовление. За это пришлось заплатить несколькими проволочными перемычками со стороны компонентов, но это совсем небольшая цена.


Для экономии места предохранитель взял с гибкими выводами для впайки в плату. Вроде, гореть ему тут не от чего. Сетевой провод и выключатель будут подключаться с помощью ножевых клемм шириной 4.8 мм. Регулирующий транзистор и микросхема стабилизатора 7805 будут устанавливаться на радиатор, прокладки не потребуются. Подходящий радиатор GN26112 тоже нашелся в запасах. Такие радиаторы у нас продавались на радиорынке (причем только такие, выбора нет), в свое время я их накупил в запас.


Плату изготовил с помощью ЛУТ, потом спаял. Она, естественно, сразу заработала, после моделирования обычно никаких сюрпризов не бывает.




К сожалению, на плате довольно тесно, провода впаяны в плату без разъемов. Это очень плохо, провода должны всегда крепиться за изоляцию. Тут слишком мало места по высоте, над платой нависают лепестки клеммника, для разъемов не хватает высоты. Вообще, разъемное соединение здесь не требуется, так как разъемы будут на другом конце проводов, на плате передней панели. Но даже неразъемное соединение провода с платой требует крепления его за изоляцию. Примеры таких соединений часто встречаются в импортной технике. Жаль, цивилизация до нас пока не дошла, где купить такие терминалы (board-in terminals), я не знаю.


Мысль про светодиод индикации регулируемого выходного напряжения пришла уже после того, как основная плата была разведена и изготовлена. Поэтому на ней есть только компоненты для светодиода индикации +5 В. На ходу была разведена небольшая платка, на которой размещено токовое зеркало, светодиоды и регулятор. На ней в SMD-стиле установлены разъемы для подключения проводов с основной платы. Эта доработка вполне нормально вписалась в конструкцию, словно так и было задумано.


Для ручки регулятора в передней панели проделано отверстие, ручка немного утоплена. Это выглядит гораздо лучше, чем висящая над панелью ручка с видимым зазором. Но механической работы такой вариант требует больше. С внутренней стороны передней панели приклеен еще один слой пластика. К нему саморезами крепится плата, на которой установлены светодиоды и переменный резистор.




Этикетку напечатал на самоклеющейся бумаге на лазерном принтере. Затем бумажную наклейку ламинировал холодным способом шагреневым ламинатом. Значок опасности высокого напряжения предварительно раскрасил желтым маркером. С этим БП надо быть осторожным. Хоть выходной ток и ограничен на уровне 20 мА, но выходной конденсатор способен запасать примерно 0.3 Джоуля энергии, которую можно неожиданно от него получить.


В качестве примера использования – зажигаю от этого БП газоразрядный индикатор ИН-1:


А тут кроме этого БП задействован регулируемый двухполярный, собранный в таком же корпусе. От них запитываю индикатор уровня сигнала на ИН-13 при его калибровке от звукового генератора.