Блок питания из БП АТХ с ограничителем тока, без шунта

Автор: Shpionus (Евгений Сокач)
Опубликовано 04.01.2021
Создано при помощи КотоРед.

При переделке компьютерных АТХ блоков питания в "лабораторные", для точной стабилизации выходного тока, обычно используются шунты в минусовом выходном проводе.
Недостаток такого способа в противоречивости параметров шунта. С одной стороны его сопротивление должно быть достаточно низким, чтобы при максимальном токе через него, он не грелся выше допустимого, и имел не слишком большие габариты. С другой стороны, если его сопротивление будет слишком низким, то мы будем ограничены в минимально возможном стабилизируемом токе, так как падение напряжения на шунте, в этом случае, окажется сравнимым с уровнем шумов усилителей ошибки ШИМ контроллеров, или массовых операционных усилителей.
Для универсального "лабораторного" блока питания на базе АТХ, самым оптимальным, на мой взгляд, является сопротивление шунта в 0,05 Ом.
В этом случае, при максимальном токе в 10 Ампер, падение напряжения на шунте, составит 0,5 Вольт, и мощность рассеивания 5 Ватт.
При токе в 0,1 Ампер, падение напряжения составит соответственно 5 мВ. 0,01 Ампер, уже 500 мкВ. У популярного в переделках ШИМ контроллера TL494 (KA7500), на сотнях микровольт, уже наблюдается неточность в стабилизации. В прочем диапазон 10мА - 10А вполне достаточен для универсального блока. Токи ниже 10 мА, стабилизировать в импульсном АТХ блоке, уже нерационально, для этого лучше подходят линейные стабилизаторы.
В прочем, при 10 Амперах, рассеиваемая мощность в 5 Ватт, уже не является пустяковой. Нужно думать о месте расположения этого шунта, и о стабильности его сопротивления во времени (в начале работы, пока он ещё холодный, и через время, когда его температура стабилизируется на неком "горячем" уровне). Тут уже обычные любительские шунты в виде медной дорожки на плате или куска медного провода, будут давать определённое снижение тока по мере прогрева шунта. А если от этого шунта получает сигнал ещё и амперметр, то мы будем им обмануты в плане того что ток он будет показывать неизменный, в то время как на самом деле он будет снижаться. Тут приемлемым может быть только шунт из термостабильного металла, типа манганина.
В том же случае, если мы планируем получить от блока ток более 10 Ампер, противоречие в параметрах шунта, станет ещё сильнее.
Практический пример, вздумалось мне сделать из старого АТХ'а, блок питания для шуруповёрта. Блок был на 300 китайских ватт. Регуляторов я делать в нём не собирался, нужно просто постоянно +12В. Защиту решил оставить штатную. Они обычно рассчитываются на ту мощность которая и указана на корпусе блока. То, что это мощность, которую можно потреблять кратковременно, так называемая пиковая, Китайцы конечно скромно умалчивают. При 12 Вольтах, защита срабатывает при токе 20 с лишним Ампер. Казалось бы, для шуруповрёта хвтатит. Но...
Если включить шуруповёрт через амперметр, то видно, что при холостом ходе и даже при не значительных нагрузках, ему и 10 Ампер хватит, и только если затягивать шурупы в дерево, или сверлить сверлом на 10, до срабатывания "трещётки", ток может зайти и за 20 Ампер.
Словом, от такого блока шуруповёрт вполне приемлемо работает, если не тормозить его до почти полной остановки при полностью нажатой кнопке регуляторе, Иначе блок таки "уходит в защиту". Иногда это наблюдается и при очень резком нажатии на кнопку, когда мотор раскручивается не плавно, за счёт регулятора скорости вращения, а за короткое время получает все 12 Вольт, тоже при этом срабатывает защита.
Однако данный блок был уже сильно удешевленный Китайцами, в частности радиаторы были совсем тонкими. А тут на глаза мне попался другой блок, не знаю, на какую мощность, но явно меньше чем 300 Ватт. Сетевые конденсаторы 2 по 220 мкФ, главный трансформатор совсем мелкий 21х29х24 мм. Выходные диоды FR302 или что-то такое. Но зато радиаторы толстые! Думаю, хорошо бы его применить, и без вентилятора, как раз нагрузка кратковременная, и больший промежуток времени не значительная. Как раз радиаторы не будут успевать перегреваться. Триггерную защиту пришлось спаять отдельно, так как родная была неразрывно связана с монитором выходных напряжений, и при удалении всего лишнего, сохранить защиту не было возможности. Новую настроил на 15 Ампер, при 12 Вольтах. знаю что для пары FR302 (2х3А = 6 Ампер) это более чем в два раза превышает опустимый для них, но опять же это будет кратковременный ток, постоянно столько потребляться не будет. Спаял, включил... Плавно нажимаю кнопку шуруповёрта, крутится. Нажимаю до упора, работает. Отпускаю. Нажимаю повторно, но резко... Срабатывает защита! Следовательно, при резком нажатии пусковой ток подскочил выше 15 Ампер. Ну для моего шуруповёрта это нормально, да и думаю не только для моего. Та же картина и при попытке остановить патрон шуруповёрта до срабатывания трещётки - срабатывание защиты. Думаю, что делать? Настроить защиту на 20 Ампер? Точно выходные диоды "вылетят"... При пользовании шуруповёртом, я же не буду на амперметр всё время смотреть!? Городить для этого блока, стабилизатор тока? Чтобы при превышении скажем 10 Ампер, снижалось выходное напряжение? Придётся шунт ставить...

Так я придумал альтернативное решение, ограничение тока, без шунта, по сигналу датчика перегрузки первичной обмотки! По тому датчику на среднем отводе управляющего трансформатора, с которого снимается сигнал на триггер защиты. Не думаю что идея сильно уж эксклюзивная, и никто до меня такого не делал, хотя я таки не встречал такого решения.

По сути, идея в том чтобы просто взять сигнал на второй усилитель ошибки, не с шунта на выходе, а с этого датчика защиты по мощности. (Току первичной обмотки).
Но в том то и дело, что этот сигнал, являясь сигналом тока первичной обмотки главного трансформатора, не является сигналом ВЫХОДНОГО тока! Так как если при разных выходных напряжениях, потреблять один и тот же ток, то ток первичной обмотки одинаковым не будет, а будет выше при более высоком выходном напряжении, при том же выходном токе. Прямой пропорциональной зависимости там нет, так как ток первичной обмотки ещё зависит от ВХОДНОГО напряжения, и от КПД всей силовой части в целом. Но, грубо говоря, можно считать, что сигнал тока первичной обмотки трансформатора на защиту, является пропорциональным мощности на выходе блока.
Таким образом, если мы этот сигнал подадим (через делитель и интегратор, разумеется) на второй усилитель ошибки TL494 (KA7500), то такая система будет стабилизировать состояние близкое с постоянной мощности на выходе! Это значит что если у нас на выходе стабилизированные +12В, и мы настроим ток срабатывания системы на 10 Ампер (120 Ватт) то при дальнейшем увеличении нагрузки, выходное напряжение ожидаемо начнёт снижаться, но ток продолжит расти, для сохранения мощности в 120 Ватт. И когда напряжение снизится в два раза, скажем до 6 Вольт, то ток при этом окажется уже не 10 а 20 Ампер! А при коротком замыкании... Нет, ток, конечно, не будет безконечным, так как даже теоретически у блока есть конечный КПД, и на проводах, дросселе, диодной сборке, имеется определённое падение напряжения. Если его принять, скажем, за 1 Вольт, то для мощности 120 Ватт, ток понадобится 120 Ампер! Не знаю, достигнет ли он таких значений на практике, но то, что сетевые транзисторы очень быстро "взорвутся" в этом я не сомневаюсь.
Таким образом, нам нужно чтобы при сигнале с датчика близком к соответствию выходной мощности, наша система стабилизировала на выходе именно ток! Этого можно достичь, если опорное напряжение на второй вход второго усилителя ошибки, снижать вместе со снижением выходного напряжения блока, да в такой пропорциональности, чтобы выходной ток оставался бы неизменным.
Компенсирующий сигнал, должен быть не полностью пропорционален выходному, а так чтобы не было не недокомпенсации, не перекомпенсации, для этого его нужно смешать с неким опорным сигналом, к примеру с опорными +5 Вольт на 14 выводе TL494 (KA7500).
При нулевом напряжении на выходе блока (скажем при коротком замыкании) напряжение компенсации не должно снижаться до нуля, так как сигнал с датчика мощности (тока первичной обмотки), не будет нулевым. Нулевым он может быть только при полном прекращении импульсов ШИМ.
При отсутствии нагрузки на выходе блока, у нас имеется минимальная нагрузка в виде выходного резистора на плате, без которого не один импульсный блок вообще работать не будет.

Методика расчёта и настройки схемы примерно следующая:

1) Сначала нужно измерить значение напряжения на конденсаторе 10нФ, интегратора датчика защиты, при максимальном выходном напряжении (в случае наличия регулировки выходного напряжения в вашем проекте), на холостом ходу блока, это будет Up1, и при максимальном желаемом токе нагрузки, и выходном напряжении, это будет Up2.

2) Далее рассчитать соотношение резисторов делителя для прямого входа второго усилителя ошибки, так чтобы напряжение на входе этого усилителя, при максимальном выходном токе (и напряжении) блока, не превышало 5 Вольт (внутрениий источник опорного напряжения TL494), лучше меньше, скажем 4 Вольта. Общее сопротивление делителя не столь критично, нужно лишь чтобы оно с одной стороны не было сильно большим, иначе будет повышенная чувствительность к токам утечки и помехам, и с другой стороны не сильно малым, чтобы не влиять на работу самого триггера защиты, в частности увеличение пульсаций этого сигнала. Оптимально будет 100-200 кОм.

3) Далее самое сложное, рассчитываемподбираем на практике, номиналы компенсирующей цепи. Напряжение компенсации, на инверсном входе второго усилителя ошибки, при отсутствии напряжения на выходе блока, должно быть не ниже (а немного выше) Up1, иначе второй усилитель ошибки вообще не даст блоку включится. При максимальном же напряжении на выходе блока, компенсирующее напряжение должно быть равно Up2.

На схемах указаны значения номиналов резисторов, ёмкостей интегрирующего и "антивозбудного" конденсаторов, и напряжений для моего экземпляра блока питания. Их можно использовать в качестве ориентировочных, но настраивать всё равно придётся под конкретный экземпляр блока питания.
Данную схему, как сказано выше, удобно использовать, когда высокая точность ограничениястабилизации тока не требуется, и шунт ставить по ряду причин не целесообразно, в частности при больших максимальных токах, более 10 Ампер, когда шунт будет иметь большие габариты и температуру.

На второй схеме, показан вариант с двумя стандартными фиксированными выходными напряжениями, его я и сделал для своего шуруповёрта.

Все вопросы в Форум.