Přesný zdroj malého napětí
Precise Low Voltage Power Supply

This power supply eliminate voltage loss on current meter. Will be designed for measure on low voltage DC/DC converters (e.g. LED lamps powered from single NiCd/NiMH cell)

Zdroj jsem si postavil pro zkoušení měničů pro bílé LED. Zpětná vazba pro regulaci napětí je zapojena až za (externí) ampérmetr, a tak se na výstupu neprojeví úbytek napětí na měřicím přístroji. Na klasickém digitálním multimetru je totiž při proudu 1 A úbytek až 0,5 V, vzniká kupodivu hlavně na přívodních šňůrách. Kdyby byl ampérmetr zapojen až za zdroj, při nastaveném výstupním napětí např. 1,25 V by úbytek napětí zcela znemožnil jakékoli seriózní měření. Zdroj se mi velmi osvědčil při vývoji svítilny s měničem s MAX1709.

Technické údaje / Specification

Obr. 1. Přesný zdroj malého napětí
Fig. 1. Precise low voltage power supply

Popis zapojení

Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru je usměrněno můstkovým usměrňovačem U1 a vyfiltrováno C1. Toto napětí je přivedeno na regulační tranzistor T4. Pro napájení regulátoru je třeba napětí větší, a proto je ještě zvojeno usměrňovačem s D1 a D2. Toto větší napětí je přivedeno na zdroj proudu s T1, který napájí referenční zdroj 2,5 V s IC1.

Na běžci potenciometru P1 je napětí 0 až 2,5 V podle nastavení potu, které se porovnává s napětím na výstupu zdroje, snímaného děličem s R9 a R10. Operační zesilovač IC2b pracuje jako zesilovač odchylky a z jeho výstupu je přes diodu D3 ovládána báze (gate) T3. Za normálních okolností teče proud asi 2 mA z proudového zdroje s T2 do výstupu IC2b. IC2b v podstatě "stahuje" napětí na kolektoru T2 k zemi. V případě, že je potenciometrem nastaveno větší výstupní napětí než je zdroj schopen dodat, nesouhlasí pochopitelně výstupní napětí s nastavením potenciometru. Na výstupu IC2b se objeví maximální napětí, a proud do jeho výstupu už neteče. Tranzistor T2 se zcela otevře a na jeho kolektoru bude větší napětí než na bázi. Komparátor s IC3 se překlopí, LED2 se rozsvítí a indikuje nesprávné výstupní napětí (open loop - otevřená smyčka zpětné vazby). LED1 slouží jako zdroj referenčního napětí pro proudové zdroje. Může zároveň sloužit i jako indikace zapnutí, při režimu "open loop" však znatelně pohasne.

Při průchodu proudu vzniká na R7 úbytek napětí, který se zvětšený o úbytek napětí Ube snímá na bázi T4. Objeví-li se mezi bází a emitorem T5 napětí větší než 0,5 V, tranzistor se otevírá a svede proud z proudového zdroje (T2) do výstupu. Tranzistor T3 se přivře a tím i T4 a výstupní proud se omezí. Potenciometrem P2 lze nastavit omezení proudu ve velkém rozsahu od 20 mA do 2 A. Regulace je příjemně logaritmická, nastavení proudu 200 mA je blízko středu dráhy potenciometru. Nejmenší proud je nastaven, když je běžec P2 u báze T4. Toto omezení je sice teplotně závislé, je však velmi rychlé, což bylo v mém případě rozhodující. Bude-li T5 teplotně svázán s T4, bude teplotní závislost kompenzována pro nastavení malých proudů. Proto jsem zde použil výkonový tranzistor přišroubovaný na T4, i když by zde výkonově stačil jakýkoli miniaturní. Kompenzace funguje jen pro malé proudy. Nastaví-li se omezení výstupního proudu "za studena" na 2 A, po zahřátí T4 se výstupní proud zmenší o 10 až 20 %, v závislosti na stupni ohřátí T4. Je-li výstupní proud omezován, opět nesouhlasí výstupní napětí s nastaveným. Na výstupu IC2b se opět objeví velké napětí, tentokrát je však napětí na kolektoru T2 a gate T3 "staženo" k zemi tranzistorem T5. Na invertujícím vstupu IC2a se objeví menší napětí než na neinvertujícím a IC2a, zapojený jako komparátor se překlopí. LED3 se rozsvítí a indikuje proudový režim.

Při pohledu na zapojení vás určitě napadne několik otázek. Pokusím se je předem odpovědět.

1. Proč je na místě T3 použit MOSFET?
S bipolárním tranzistorem nebylo možno na výstupu nastavit 0 V. Minimální výstupní napětí IC2b, když do výstupu teče proud 2 mA je asi 0,8 V. Další úbytek vznikne na D3. Minimální napětí na bázi (gate) T3 je asi 1,5 V. Protože při nulovém výstupním proudu je na emitoru T3 stejné napětí jako na výstupu, bylo třeba použít tranzistor, který by otevíral při napětí větším jak 1,5 V (s rezervou 2 V). Tomuto požadavku vyhověl MOSFET s prahovým napětím 3 až 4 V. Další možností by bylo použít záporné napájecí napětí alespoň -2 V pro IC2, což by zapojení dále zkomplikovalo.

2. Proč je použit proudový zdroj s T1?
Zlepšuje to stabilitu výstupního napětí. Proudový zdroj lze vypustit a IC1 napájet přes rezistor proudem 1 až 10 mA.

3. Proč je použit proudový zdroj s T2?
Umožňuje to oddělit výstup regulačního OZ od výkonového stupně diodou D3. Bylo by možné budit T3 přímo z výstupu IC2b, přišli bychom však o jednoduchou možnost indikovat proudový režim. Výstupní proud u obvodu LM358 je sice (nějak) omezen, ale je dost velký (15 až 30 mA) a kus od kusu se liší. Tento proud by tekl do výstupu zdroje, minimální nastavitelný proud by pak byl proto o dost větší než u popsaného zapojení, protože T2 dodává jen 2 mA.

4. K čemu slouží R5?
Chrání zařízení připojené k výstupu zdroje. Bude-li potenciometr P1 už starý nebo nekvalitní a bude-li "chrastit", může běžec potenciometru občas ztratit kontakt s odporovou drahou. Protože vstupní tranzistory IC2 jsou p-n-p, zvětšilo by se při ztrátě kontaktu napětí na neivertujícím vstupu OZ a na výstupu zdroje by se objevilo maximální napětí, které je zdroj schopen dodat. To by mohlo zničit připojené zařízení. Rezistor R5 svede vstupní proud OZ k zemi a napětí na vstupu OZ se při "chrastícím" potu nemůže zvětšit, naopak se zmenší téměř k nule, stejně tak jako napětí na výstupu zdroje.

5. Jak upravit zdroj pro větší výstupní napětí?
Zdroj jsem navrhoval pro maximální výstupní napětí 5 V. S drobnými úpravami by ho bylo možno použít do napětí 20 V. Je třeba použít transformátor s větším sekundárním napětím, maximálně asi 18 V. Do výstupu zdvojovače je třeba doplnit stabilizátor, protože maximální napájecí napětí LM358 je jen 32 V. Protože stabilizátor je na napětí 5 V, může být na C1 maximálně 27 V. Pomocné napájecí napětí pro proudové zdroje musí být alespoň o 5 V větší než napětí hlavní větve. Kondenzátory C1, C2 a C3 je třeba dimenzovat na větší napětí, údaje jsou ve schématu v závorce. Je třeba upravit dělicí poměr R9 / R10 tak, aby při zvoleném maximálním výstupním napětí bylo ve středu děliče napětí 2,5 V.

6. K čemu je D4?
Umožňuje funkci zdroje i s odpojeným ampérmetrem. Musí vydržet maximální výstupní proud, vhodná je např. 1N5407.

Poznámky ke konstrukci

Tranzistor T4 je třeba dobře chladit, stejně jako můstkový usměrňovač. Na usměrňovač jsem zapomněl a při zkouškách se zátěží 2 A mi za chvíli vyhořel. T4 musí být bipolární tranzistor, jednoduchý s pokud možno velkým proudovým zesílením, nelze použít Darlington. I pro maximální výstupní napětí 5 V by byl lepší transformátor s trochu větším výstupním napětím, tak 7 až 9 V. Transformátor, který jsem použil, sloužil kdysi zřejmě ke žhavení elektronek nebo k napájení indikačních žárovek, neb je dosti historický a má výstupní napětí 6,3 V. Deska s plošnými spoji není, tak si o ni nepište. Původně jsem myslel, že ji navrhnu a nabastlený zdroj "zkulturním". Když jsem se k tomu za mnoho měsíců nedokopal, zdroj zůstane už navěky na bastldesce. Proto nejsou ani fotky, není moc pohledný.

Jaroslav Belza

Tuto variantu zdroje jsem zatím nikde jinde nepublikoval.

20. 12. 2004