A small stabilized power supply

Pro malé napájecí zdroje se mi osvědčilo zapojení, jehož základní zapojení je na obr. 1. Na vstup je přivedeno nestabilizované napětí (např. z usměrňovače, baterie nebo akumulátoru). Na výstupu pomocného stabilizátoru 78L05 je referenční napětí, v tomto případě 5 V. Potenciometrem P nastavujeme výstupní napětí. Operační zesilovač a tranzistor T1 tvoří vlastně jen „výkonový zesilovač“, který zesiluje napětí z běžce potenciometru P.
Obr. 1. Regulovatelný stabilizovaný zdroj s operačním zesilovačem
Fig. 1. Regulated power supply with op-amp
Jako zdroj referenčního napětí může být použit i jiný typ stabilizátoru, velikost výstupního napětí přitom není příliš důležitá. Z běžně dostupných typů lze použít např. také LM317, ICL8069 (1,25 V); TL431 (2,5 V); referenční zdroj z MAA723 (7,15 V) nebo MAB01 (10 V). Vstupní napětí však musí být tak velké, aby stabilizátor správně pracoval a referenční napětí bylo stabilní. Zpravidla stačí, když je vstupní napětí alespoň o 3 V větší než referenční napětí.

Výstupní napětí zdroje nastavujeme potenciometrem P. Je-li nastaven na maximum, je výstupní napětí určeno rezistory R1 a R2
,
kde UO je výstupní a UR referenční napětí.

 Výstupní napětí nemůže být samozřejmě větší než napětí vstupní. Maximální výstupní napětí je zpravidla asi o 2 až 3 V menší.
Pozornost je třeba věnovat výběru operačního zesilovače. Můžeme použít například běžný OZ typu MAA741 (µA741). Aby však zdroj pracoval a dal se regulovat od 0 V, je třeba k jeho napájení ještě záporné napětí nejméně 3 V. Kladné napájecí napětí OZ je připojeno ke vstupu zdroje. Tento OZ má na vstupech bipolární tranzistory s vodivostí n-p-n. Přeruší-li se z nějakého důvodu kontakt běžce potenciometru s odporovou drahou, přestane téci proud do vstupu OZ a napětí na výstupu se zmenší k nule.
Získat záporné napájecí napětí může být v některých případech obtížné. Pak můžeme použít takový typ operačního zesilovače, který umí zpracovávat signály blízké zápornému napájecímu napětí, a záporné napájecí napětí OZ připojit na zem zdroje (0 V). Z běžných typů vyhovuje např. LM358 (dvojnásobný OZ) nebo LM324 (čtyřnásobný). Vnitřní zapojení je u obou typů obdobné.

Jednoduchý zdroj

Konkrétní zapojení zdroje je na obr. 2. Oproti obr. 15 je dokreslen usměrňovač a zapojení je doplněno několika dalšími součástkami, zlepšujícími jeho vlastnosti.

Svítivá dioda LED2 indikuje zapnutý zdroj. Rezistor R3 s kondenzátorem C7 zmenšují šum ve výstupním napětí zdroje. Na vstupu operačního zesilovače LM358 jsou tranzistory p-n-p. Aby se v případě poruchy potenciometru zmenšilo výstupní napětí k nule, je ke vstupu OZ připojen rezistor R4. Na běžnou funkci zdroje má tento rezistor zanedbatelný vliv. V praxi nelze vyloučit ani případ, kdy budeme zdrojem nabíjet akumulátory. Aby se zdroj nepoškodil v případě, kdy vypneme napájení a akumulátory zůstanou připojeny, je do výstupu zapojena dioda D5. Ta zamezí zpětnému průchodu proudu.

Rezistor R5 omezuje zkratový proud zdroje především v prvním okamžiku zkratu, kdy je kondenzátor C5 ještě zcela nabit.

Zdroj nemá žádné další omezení výstupního proudu. U zdrojů s výstupním proudem do 0,5 A, napájených z malého transformátoru, není problém dimenzovat součástky tak, aby zdroj vydržel i delší zkrat na výstupu.

Zdroj můžete postavit na desce s plošnými spoji z obr. 4. Na desku osadíme jen součástky uvedené ve schématu, ostatní (které jsou na obr. 4 navíc) zatím neosazujeme.

Obr. 2. Zapojení jednoduchého napájecího zdroje
Fig. 2. Simple power supply

Napětí pro zdroj získáme ze síťového adaptéru nebo malého transformátoru. V obou případech se jedná o měkký zdroj napětí. To znamená, že se zatížením se výstupní napětí rychle zmenšuje. Použijeme-li např. transformátor se sekundárním napětím 15 V a příkonem např. 5 VA, bude napětí na filtračním kondenzátoru (C5) naprázdno asi 25 V. Zdroj pak bude schopen dodat plné výstupní napětí 15 V při proudu asi do 150 mA, při napětí 5 V však lze odebrat proud např. 300 mA. Dále popsaný indikační obvod nás upozorní na stav, kdy se zmenší vstupní napětí natolik, že výstupní napětí již není stabilizováno.

Zapojení zdroje s indikačními obvody je na obr. 3. Indikační obvod má dvě části. První část indikačního obvodu nás varuje, že vstupní napětí je příliš malé. Při malém vstupním napětí nebude správně pracovat zdroj referenčního napětí s IO1. Stabilizátor 78L05 potřebuje ke správné funkci napájecí napětí nejméně 7 V. Tranzistor T2 je při běžném provozu zcela otevřen proudem procházejícím Zenerovou diodou D6 a rezistorem R6. Při napájecím napětí menším než asi 7,5 V se T2 uzavře a přes R8 a D7 prochází proud na bázi T3. Tranzistor T3 se otevře a LED1 se rozsvítí.

 Tranzistory T3 a T4 jsou v zapojení, které dodává do LED1 prakticky konstantní proud asi 15 mA již od napětí asi 3 V. Otevřeme-li tranzistor T3 proudem do báze, vytvoří proud procházející LED1 a T3 úbytek napětí na rezistoru R9. Dosáhne-li tento úbytek napětí asi 0,5 V, otevírá se tranzistor T4 a zmenší proud tekoucí do báze T3 tak, že část budicího proudu svede k zemi. Tranzistor T3 je proto vždy otevřen pouze tak, aby na rezistoru R9 byl úbytek právě 0,5 V. Odpor rezistoru pak určuje, jakým proudem bude buzena LED. Bez tohoto obvodu by LED1 při malém napájecím napětí svítila jen velmi málo, případně při velkém napájecím napětí by byla namáhána nadměrným proudem. Pro LED s malým příkonem zvolíme R9 = 150 Ohm.
Druhá část indikačního obvodu sleduje zvlnění napětí na výstupu zdroje. Zvlnění napětí se na výstupu objeví tehdy, je-li rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím tak malý, že zdroj není schopen napětí stabilizovat. Tuto část indikačního obvodu si spolu s mechanickým provedením popíšeme příště. Pro největší nedočkavce uvádím s předstihem desku s plošnými spoji a seznam součástek.

Obr. 3. Zapojení napájecího zdroje s indikačními obvody
Fig. 3. Simple power supply with undervoltage and no-stabilization indicator

Napětí na výstupu zdroje můžeme nastavit od nuly až do napětí, které je asi o 3 V menší než je napětí před stabilizátorem (na kondenzátoru C5). Nastavíme-li potenciometrem napětí na výstupu zdroje větší nebo poklesne-li napětí před stabilizátorem vlivem zvýšené zátěže, nebude již na výstupu napětí stabilizované a ve výstupním napětí se objeví zvlnění. K indikaci zvlnění slouží obvod s druhou polovinou IO2 a T2. Indikace pracuje samozřejmě pouze tehdy, je-li zdroj napájen z transformátoru nebo síťového adaptéru bez stabilizátoru. Signál se odebírá z emitoru tranzistoru T1, prochází kondenzátorem C10 a rezistorem R14 a zesiluje se asi 200x v zesilovači s IO2a. Za zesilovačem je zapojen poněkud neobvyklý detektor. Není-li výstupní napětí zvlněné, není na rezistoru R13 napětí a tranzistor T5 je zcela uzavřen. Bude-li na výstupní napětí zvlněné, bude zesílené napětí i na výstupu OZ. Tranzistor T5 se bude otevírat při kladné půlvlně signálu na výstupu OZ a bude nabíjet kondenzátor C11. Napětím z C11 se přes rezistor R10 otevře T3 a rozsvítí se LED1. Obvod, budící LED konstantním proudem, je společný i pro indikaci podpětí, popsanou v minulém čísle.
Obvod pro indikaci zvlnění je velmi citlivý. LED se rozsvítí již při zvlnění asi 3 mV na výstupu. Určitou nevýhodou je, že se LED1 krátce rozsvítí nastavujeme-li výstupní napětí potenciometrem P.

Stavba a oživení zdroje

Napájecí zdroj můžete postavit na desce s plošnými spoji podle obr. 4. Desku můžete použít buď samostatně, tak jak je to na fotografiích, nebo ji vestavět do vhodné skříňky. Ve skříňce může být deska umístěna přímo pod čelním panelem nebo ji lze umístit jinde.

Obr. 4. Deska s plošnými spoji pro zdroj z obr. 2 a 3. Kliknutím získáte obrázek v rozlišení 300 dpi
Fig. 4. PCB layout for power supply (fig. 2 & 3). Click to get 300 dpi resolution image

 V případě, že bude deska pod čelním panelem, je třeba kondenzátor C5 zapájet ze strany spojů, případně jej umístit zcela mimo desku (můžete pak použít i starší rozměrnější typ nebo kondenzátor s větší kapacitou). Také tranzistor T1 je v tomto případě vhodnější přišroubovat na větší chladič mimo desku s plošnými spoji. Výkonový tranzistor lze pak použít i v pouzdře TO3, např. 2N3055 nebo tuzemský KD607 apod. K upevnění desky pod čelní panel potřebujeme ještě 4 distanční sloupky dlouhé 10 až 15 mm. Plastové zdířky jsou zapájeny přímo do desky s plošnými spoji. Na každou zdířku je nasazena plastová trubička dlouhá 12 mm. Trubičku uřízneme z „těla“ silnějšího fixu (např. Centropen 2836). Potenciometr je přišroubován k desce a vývody jsou s deskou propojeny kousky drátu.
Nebude-li deska umístěna pod čelním panelem, propojíme potenciometr a výstupní zdířky s deskou vhodným kablíkem.

Obr. 5. Rozložení součástek na desce s plošnými spoji
Fig. 5. Locations of components on the board

Sekundární vinutí transformátoru je připojeno k bodům A a B na desce s plošnými spoji. Především začátečníkům bych doporučil použít raději síťový adaptér. Na fotografii je adaptér od nabíječky k akumulátorové vrtačce (jmenovité napětí 15 V, napětí naprázdno 23 V). Pro náš účel je vhodný adaptér s větším napětím a výstupním proudem. Adaptér může být buď jen transformátor (na výstupu je střídavé napětí) nebo transformátor s usměrňovačem. Je-li v adaptéru s usměrňovačem filtrační kondenzátor s dostatečnou kapacitou, není třeba na desce s plošnými spoji zdroje osazovat kondenzátor C5.
Napětí je z adaptéru vyvedeno kablíkem, zakončeným konektorem. Pokud je použit tzv. napájecí konektor, lze desku osadit konektorem SCD-016 nebo SCD-016A - viz foto. Jiné typy konektorů musíte umístit mimo desku.		 Pokud použijete adaptér s usměrňovačem, není třeba osazovat usměrňovač na desce s plošnými spoji. Bude-li mít adaptér s usměrňovačem a s napájecím konektorem kladný pól uprostřed (na dutince), stačí osadit pouze diodu D1 a diodu D4 nahradit propojkou. Bude-li na napájecím konektoru uprostřed záporný pól, osadíme diodu D2 a propojkou nahradíme diodu D3. Kondenzátory C1 až C4 pak nejsou potřeba. Polarita napětí na napájecím konektoru není nijak standardizována a může se lišit podle původního určení adaptéru. Diodou D1, resp. D2, ponechanými na desce chráníme zdroj před přepólováním při použití jiného adaptéru.

Změna vstupního a výstupního napětí

Zdroj je navržen tak, aby se výstupní napětí dalo nastavit od nuly do 15 V. K napájení potřebujeme transformátor se sekundárním napětím 15 až 18 V nebo síťový adaptér s výstupním napětím 15 až 24 V. Použijete-li transformátor nebo adaptér s jiným napětím, je vhodné přiměřeně upravit i rozsah výstupních napětí. Maximální napájecí napětí zdroje je 35 V. Pak by bylo možné zvětšit odpor rezistoru R1 např. na 20 kOhm – výstupní napětí bude možno měnit od 0 do 25 V.
Minimální napájecí napětí je asi 7,5 V, pokud použijeme pro referenční zdroj stabilizátor 78L05. Při tomto napájecím napětí však lze regulovat výstupní napětí pouze do 5 V.

Napájecí zdroj pro větší proud

V principu nic nebrání použít uvedené zapojení pro proudy do několika ampér. Pro větší proudy je zejména potřeba:

  • Zvolit diody D1 až D5 pro větší proudy, diody 1N4007 lze použít do 1 A, pro proud do 3 A vyhoví 1N5408.
  • Dostatečně dimenzovat chladič tranzistoru T1, pro proud nad 1 A použít na místě T1 raději dvojici tranzistorů v Darlingtonově zapojení např. TIP120.
  • Zvětšit kapacitu filtračního kondenzátoru.
  • Zmenšit odpor rezistoru R5.

Popsaný zdroj lze postavit za zlomek ceny profesionálního zdroje. Pro vývoj většiny běžných zapojení však zcela vyhoví. Uvítám případné připomínky k této konstrukci na adrese redakce.

Rozpiska součástek

R1, R3, R6, R7, R8, R10, R11 a R14 10 kOhm   D1 až D5 1N4007
R2 4,7 kOhm D6 BZX55 6V2, Zenerova dioda 6,2 V
R4 1 MOhm D7 libovolná Si dioda, např. 1N4148, KA262 apod.
R5 2,2 Ohm/2 W, viz text LED1 červená, matná
R9 33 Ohm LED2 zelená, matná
R12 22 kOhm T1 n-p-n výkonový tranzistor v pouzdru TO220, např. BD243
R13 1,8 MOhm T2 až T4 libovolný n-p-n tranzistor, např. KC238, BC548 apod.
R15 1,5 kOhm T5 libovolný p-n-p tranzistor, např. KC307, BC558 apod
P 10 kOhm, lin. potenciometr IO1 78L05, stabilizátor
C1 až C4 22 nF, keramický IO2 LM358, dvojitý operační zesilovač
C5 2200 µF/25 V, elektrolyt. Červená a černá plastová zdířka
C6, C9, C10, C12 100 nF, keramický Konektor SCD-016, viz text
C7, C11 1 µF/50 V, elektrolytický Chladič pro T1 (DO2)
C8 10 µF/16 V, elektrolyt. Síťový adaptér s výstupním napětím 15 až 24 V a výstupním proudem 300 až 1000 mA (vhodné pro začátečníky – nehrozí úraz elektrickým proudem) nebo transformátor 5 až 10 VA s jedním sekundárním vinutím s napětím 15 V.
Desku s plošnými spoji lze objednat u firmy Kohout, Nosická 16, 100 00 Praha 10, tel.: (02) 781 38 23.

Jaroslav Belza

Použity obrázky a upravený text z Praktické elektroniky č. 12/98 a 1/99

20. 5. 1999