Плата-конструктор регульованого блока живлення, або правильний блок живлення має бути важким, частина 2

Думаю, деякі читачі ще пам’ятають мій огляд конструктора для складання лінійного лабораторного блока живлення. Плата, попри деякі недоліки, виявилася доволі цікавою.
Коли товариш надіслав мені посилання на конструктор, який я оглядаю, першою думкою було: «Та це ж та сама плата», але насправді все виявилося трохи інакше.
Отже, кому цікава ця тема і хто хоче дізнатися, як зібрати невеликий лабораторний блок живлення, прошу під кат.

З оглядами різної побутової електроніки я якось відійшов від своєї звичної теми блоків живлення. Я вже зробив чимало оглядів як регульованих, так і звичайних блоків живлення.
Але пройти повз цей конструктор я не зміг, думаю, ви мене зрозумієте.
В огляді буде не лише плата для складання блока живлення, а й деякі додаткові товари, які я також огляну, покажу та висловлю свою думку. Частину мені надали в магазині Banggood для цього огляду, частину купив у нас офлайн.

Оскільки багато конструкторів спочатку були розробками ентузіастів, а потім їх копіювали китайські виробники, я провів невелике розслідування, щоб з’ясувати, «звідки ростуть ноги» цього конструктора, і дещо розкопав :)

Але будьмо послідовними — навіщо порушувати звичний перебіг огляду.

Як завжди, спочатку кілька слів про пакування.
Оскільки товари відправляли з різних складів, мені надіслали кілька посилок, і лише в одній було одразу два товари.
Можливо, мені здалося, але, схоже, магазин став ретельніше пакувати товари.

Для початку, звісно, плата блока живлення. Плату запаковано в окрему картонну коробочку, всередині — антистатичний пакет.


Усередині пакета все просто лежить як є, і якщо висипати вміст на стіл, вийде ось така купка.


Згадавши відому картинку з іграшками в пісочниці, навів лад і розклав усе акуратніше :)
На цій фотографії вже помітні перші відмінності від попереднього варіанта блока живлення. Тут цифрове керування, а отже, є РК-дисплей.
Крім того, виробник розділив конструкцію на дві плати. Одна плата силова, друга — керування.


Розгляньмо плати трохи уважніше.
Якість виготовлення обох плат відмінна: є маска та шовкографія з позначенням номіналів установлених елементів, тож схема навіть не потрібна, хоча її й не додають до комплекту. Матеріал плати — текстоліт, а не дешевий гетинакс, що також є великим плюсом і для новачка, і для досвідченого радіоаматора.

Силова плата.
Розміри — 84х67мм.
Ця плата відразу дуже нагадала мені плату з попереднього огляду. Спочатку я навіть подумав, що це вона, тільки до неї прикрутили цифрове керування, але насправді блоки живлення кардинально різні.




Плата керування.
Розміри плати трохи менші — 80х56мм.
На платі відразу помітні місця для двох енкодерів, а також велика кількість резисторів.




Оскільки схеми в комплекті не було, я накреслив свою. Можливо, десь припустився помилки, але намагався бути максимально точним. Якщо помітили помилку — пишіть, виправлю.

Спочатку планував розбити схему на окремі вузли, але спершу наведу повний варіант.
Що здивувало:
Вихідний конденсатор має ємність лише 100нФ.
Окрім вхідного, на платі немає електролітичних конденсаторів.
Заощадливі китайські інженери встановили конденсатор паралельно контактам термореле.


Як я писав на самому початку, схема не нова, тож знайшовся і оригінал.
Схему плати, яку оглядаємо, дещо доопрацювали й змінили, але все одно видно, що принципово вони майже однакові.
Схему знайшов тут і тут, причому навіть із вихідними файлами. Крім того, в оригіналі пристрій навіть підтримує роботу з комп’ютером, але цю функцію не перевіряли.


Схемотехнічне рішення пристрою дуже просте. «Серцем» є мікроконтролер, до якого підключено ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач) у вигляді матриці R2R.
Змінюючи код на виході мікроконтролера, ми можемо отримувати змінну постійну напругу на виході. Такі ЦАПи прості, але потребують великої кількості виходів мікроконтролера, адже кожен розряд потребує окремого виходу, а що більше розрядів, то точніше можна встановити вихідну напругу.
У цьому пристрої реалізовано 10-бітний ЦАП, тобто можна отримати 1024 рівні напруги.
Для цього блока живлення можна отримати дискретність установлення напруги 0,027 Вольта, а струму — 0,002 Ампера.
Насправді регулювання дає змогу встановлювати напругу з дискретністю 0.1 Вольта, а струм — 0.01 Ампера. У більшості ситуацій цього достатньо.


А ось ключова відмінність полягає не в тому, як формується напруга для регулювання, а в тому, як відбувається зворотний зв’язок.
Річ у тім, що найчастіше мікроконтролер видає опорну напругу, яку потім порівнюють із реальною за допомогою операційного підсилювача, і зрештою ми отримуємо стабілізовану напругу або струм.
Опорну напругу при цьому найчастіше формують за допомогою ШІМ з інтегруванням (усередненням) на конденсаторі.
Але в такому варіанті потрібні 2 ЦАП: один для струму, другий для напруги. А оскільки розробник вирішив застосувати інший принцип формування, то два ЦАП із матрицею R2R просто не підійшли б. Власне, тому порівнянням також займається мікроконтролер.


Такий спосіб регулювання зазвичай повільніший, ніж звичніший із застосуванням операційного підсилювача. Але розробник застосував власне програмне рішення з двома циклами роботи — швидким і повільним.
Як я розумію, швидкий цикл працює грубіше, щоб забезпечити швидкодію, а повільний потім точніше встановлює напругу.
Оскільки я не програміст, то пишу так, як зрозумів. Можливо, обізнані люди зможуть більше зрозуміти з наведеної програми й опису — посилання.


Напруга після ЦАП надходить на силовий вузол.
Насправді силовий вузол плати, яку ми розглядаємо, реалізовано трохи інакше: у підсилювачі струму застосували силовий транзистор іншої провідності й трохи змінили схему, але принцип дії залишився абсолютно тим самим.
Вихідна напруга з ЦАП надходить на підсилювач напруги: нам замалий діапазон 0–2.5 Вольта, тому спочатку її підсилюють приблизно до рівня 0–30 Вольт (ліва частина схеми).
Але оскільки підсилювач напруги не може забезпечити потрібний струм, далі стоїть підсилювач струму. Він майже не змінює напругу, тому на виході забезпечує задані 0–28 Вольт, але вже зі струмом навантаження до 2 Ампер.
В описі схеми на сторінці розробника наведено два варіанти: 22 Вольт 2.5 Ампера і 28 Вольт 2 Ампера.
Струм 2 Ампера для лабораторного БЖ не дуже великий, але думаю, що за бажання можна доопрацювати прошивку й отримати більший струм.


Попри всю свою позірну громіздкість, схема пристрою гранично проста.
Для прикладу я розбив схему на окремі вузли:
Червоний колір — підсилювач струму
Синій колір — ЦАП і підсилювач напруги
Зелений колір — зворотний зв’язок за напругою
Рожевий колір — зворотний зв’язок за струмом.


З теорією начебто трохи розібралися, хоча ще повертатимемося до неї час від часу, але вже час братися до складання.
Насамперед знаходимо всі резистори з комплекту, а заразом я спробую показати, як можна зібрати таку плату, не вдаючись до тестера для вимірювання опору «смугастих» резисторів.
Усі компоненти до певного етапу я лише вставляю в плату (набиваю), а паяю вже потім. Знаю, що дехто робить інакше, але я так звик, нічого не вдієш :)

Цю частину процесу сховаю під спойлер, бо фотографій багато.

Основну частину складання плат завершено. Наприкінці цього етапу в нас мають залишитися три речі: потужний транзистор, термовимикач і шлейф.
Якщо у вас залишилося ще щось, то є два варіанти: або поклали зайве, або десь забули впаяти. Перший варіант кращий :)


Взагалі спочатку треба було зібрати все, встановити транзистор на радіатор і лише тоді пробувати. Але я не втримався й спробував одразу після складання — просто вставив потужний транзистор в отвори. Та краще так не робити :)
Заради справедливості варто сказати, що під час першого ввімкнення я побачив просто рівномірно підсвічений дисплей. Якщо все зібрано правильно, треба лише відрегулювати контрастність за допомогою підлаштувального резистора на платі керування, щоб зображення стало нормально видимим.


Пристрій працює — ну, принаймні поки що старанно вдає, що працює, а я перейду до опису того, що замовив іще.


Також мені довелося зайти на ринок і купити ще деякі речі для цього блока живлення.
Насправді так вийшло, що на фото є те, чого я не використовував, і немає деяких компонентів, які використав. Не завжди вдається заздалегідь на 100% продумати, що знадобиться під час складання.
Але в будь-якому разі я постараюся все розповісти й показати.
З того, що було куплено, знадобилося:
1. Трансформатор
2. Вентилятор із сіточкою.
3. Пара ручок
4. Вимикач живлення
5. Роз'єм.


Трансформатор я вирішив купувати офлайн з кількох причин.
1. У нас вони дешевші
2. Якість наших трансформаторів набагато вища, ніж у ширвжитку з Китаю.

Я вибрав трансформатор із напругою 24 Вольти й струмом трохи більше ніж 4 Ампери (100 Ватт).
Посилання на трансформатор, ціна близько 13 доларів. Загалом вибір у магазині був досить великий, але повністю підійшов мені тільки цей.


Спочатку хотів використати трансформатор на 12 Вольт і 60 Ватт, який у мене лежав, але для БЖ потрібен був трансформатор щонайменше на 65–70 Ватт, а хотілося ж іще й доробок, яким теж потрібно було чимось живитися…


Вага 60-ватного трансформатора порівняно зі 100-ватним. Якщо відняти від ваги 60-ватного трансформатора домотаний дріт і роз’єм, то різниця становитиме приблизно 1,5 раза.


Під час складання, як завжди, довелося помучитися з вибором, наприклад, як краще розташувати «начинку» всередині корпусу.
Спочатку було чотири цілком робочі варіанти, усі вони мали свої плюси й мінуси, але весь час було відчуття, що виходить якась дурниця.


Зрештою я зупинився на такому розташуванні радіатора, трансформатора й плат — мені воно здалося оптимальним.


Взагалі спочатку розробник передбачав живлення від імпульсного БЖ, навіть рекомендував місце для встановлення конденсатора для придушення перешкод.
Але, на мій погляд, навіщо псувати лінійний БЖ живленням від імпульсного джерела? Якщо вже робити, то серйозно :)


До речі, вище видно, що радіатор зовсім маленький — явно не для такої потужності.
Річ у тім, що в режимі КЗ і за максимального струму на радіаторі розсіюється близько 60 Вт, а на фото радіатор — максимум на 10 Вт.
В описі магазину радіатор із вентилятором, але все одно кумедний, та ще й усередині корпусу.
А от що сподобалося, то це вихідні клеми — треба буде десь собі такі купити.
До речі, на фото такий самий корпус, як в огляді, для порівняння :)


Далі на мене чекала ще одна проблема. Радіатор має вертикальні ребра, а в мою концепцію вони ну ніяк не вписувалися, тож довелося різати. На цьому етапі я подякував долі за те, що тіло радіатора тонке. Як кажуть, не було б щастя, та нещастя допомогло.
До речі, чомусь радіатори з ребрами вздовж довгої сторони трапляються набагато рідше, ніж ті, що в огляді.


Потім я взяв невелику шпильку М3, яка, по суті, є обрізаним гвинтом.


У крайніх отворах радіатора нарізав відповідну різьбу на довжину трохи більшу за половину шпильки, щоб навіть у найгіршому разі не вкрутити її повністю в одну половинку.


Після цього вкрутив шпильку на половину довжини в один радіатор. Щоб не зірвати різьбу, можна накрутити дві гайки й затягнути їх одна до одної біля краю шпильки, а потім крутити за крайню гайку.


Скручуємо все разом. Наприкінці радіатори вже вперлися один в одного, а потрібного положення ще не було досягнуто, довелося докласти сили. Різьба була на межі зриву, але в нашому випадку це не принципово.
Шпилька була потрібна, щоб утримувати радіатори в одній площині й надати конструкції жорсткості.


Наприкінці я взяв шматочок алюмінієвої пластинки, яка спочатку виконувала роль радіатора, просвердлив чотири отвори й наніс термопасту.
Спочатку вибирав між товстішою, але жорсткішою пластинкою та тоншою, але м'якшою. Я віддав перевагу другому варіанту, оскільки жорсткість я збільшив шпилькою, а зайва товщина мені ні до чого.


Приміряємо те, що вийшло, думаю, ідея вже зрозуміла.


Переходимо до виготовлення задньої панелі.
Розмічаємо всі потрібні отвори. Отвір для вентилятора обрізаний зверху й знизу, щоб не послаблювати конструкцію задньої панелі.


Трохи відволічуся.
Мене іноді запитують, які вентилятори кращі.
Я використовую вентилятори фірми Sunon, бо вважаю їх найкращими на нашому ринку. Для огляду я купив вентилятор на 12 В розміром 50 мм.
Про всяк випадок ось посилання на нього і на решітку. Вентилятор коштує приблизно 3.5 бакса, решітка — близько 0.4.
Решітки бувають 50 і 52 мм, я купував 50 мм.


Спочатку хотів використати вентилятор на 60 мм, але він був зовсім впритул, не хотів ризикувати.


Вентилятор виготовлений за технологією maglev, що зменшує шум і збільшує строк служби.
З одним я прорахувався: хотів отримати великий потік повітря, а зрештою перестарався. На максимальній потужності вентилятор дуже шумить, треба було вибрати іншу модель.


Як я писав вище, вентилятор на 12 Вольт, і це додало мені клопоту, адже плата розрахована на 24 Вольти. Відповідно, напругу треба було знижувати, і для цього краще знати струм, адже від нього залежить потужність, що розсіюється на стабілізаторі.
Здивувало, що вентилятор запускається за напруги 2.7 Вольта й уже забезпечує непоганий потік повітря. За 12-15 його вже здуває, довелося притиснути дротом.
Загалом, якщо вибирати вентилятор, то, як на мене, кращого в нас не знайти. Щоправда, коштують вони дорожче за комп’ютерний ширвжиток, але воно того варте.


Встановлюємо транзистор на радіатор. Транзистор ізольований від радіатора тонкою слюдою, адже гвинти стирчатимуть назовні корпусу, і мені не хотілося б потім чогось випадково закоротити.
У цьому БЖ застосовано транзистор протилежної провідності (pnp), ніж у попередньому БЖ (npn).
Цікаво, що в оригінальній схемі застосовано транзистор npn.
Транзистор має максимальний тривалий струм колектора до 10 Ампер, напругу до 140 Вольт і розсіювану потужність до 100 Ватт, що для цього БЖ має великий запас.


Для складання мені знадобилися гвинти М4х50мм, а також М3х10 із потайною головкою.
Спочатку думав поставити коротші чорні М3 (вони на фото), але, на жаль, не вистачило 1мм довжини — з ними було б акуратніше.


У результаті вийшла ось така конструкція: гвинти М4х50 збирають усе в «сендвіч».
Вентилятор довелося встановити так, щоб він видував повітря з корпусу. Звісно, це далеко не найкраще рішення з погляду ефективності, але я не зміг придумати, як зібрати все так, щоб вентилятор дув на радіатор.




На жаль, магазин не пропонує оправок для кріплення трансформатора (так було б набагато зручніше), тож довелося викручуватися самому. Зробив шість отворів і приклеїв смужки товстого двостороннього скотчу.


Потім стягнув усе широкими стяжками. Стяжки притискають трансформатор, а скотч не дає йому зсуватися. Під стяжки треба підкласти ізоляційну стрічку або тонку гуму — згадав про це, коли вже затягнув одну стяжку. А оскільки стяжок залишилося чотири, і одна зрештою луснула, довелося поки залишити все як є.
Синій дріт від трансформатора тут не просто так, пізніше розповім про нього.


Передня панель.
Для розмітки отворів я використовую чернетку шаблону передньої панелі, фото не збереглося, але, думаю, ідея зрозуміла.



Переходимо до остаточного складання й випробувань.
Напівзібраний вигляд: плата знайшла своє місце :) У корпусі два монтажні отвори збіглися з отворами для радіатора на платі.


Перше ввімкнення в корпусі.
Для підстроювання блока живлення на силовій платі є підстроювальний резистор.
За допомогою енкодера встановлюємо якесь фіксоване значення напруги, наприклад 5-10-15 Вольт, підключаємо мультиметр до виходу й за допомогою резистора добиваємося, щоб мультиметр показував установлене значення. Ось і все.


Тестуватиму за допомогою електронного навантаження, але вже видно, що блок живлення цілком витримує заявлену потужність.


Тести.

«Приколгоспив» додатковий конденсатор (я писав про нього вище), з ним за повного навантаження напруга буде трохи вищою, та й просто він уже був :)


Ось і все, ось що вийшло в результаті.
На фото біля роз’єму вентилятора видно пару резисторів. Ці резистори ввімкнені паралельно термовимикачу.
Зовсім забув. У комплекті з платою йде термовимикач на 50 градусів для ввімкнення вентилятора. Я закріпив термовимикач біля потужного транзистора, притиснув його скобою до радіатора. Термовимикач був у силіконовій трубці, її треба залишити, оскільки один із виводів контактує з корпусом. Притискна скоба має бути такою, щоб не прорізати ізоляцію.
Резистори ввімкнені паралельно, щоб вентилятор постійно працював на малих обертах — так він рідше вмикатиметься на повну потужність.


Не забуваємо ізолювати оголені контакти, особливо ті, що з’єднані з мережею.
Вхідний провід краще під’єднувати до крайнього контакту запобіжника — так безпечніше.


Напевно, уважні читачі помітили на попередніх фото реле.
Річ у тім, що лінійний блок живлення розсіює всю «зайву» енергію у вигляді тепла, і щоб цього тепла було менше, я зробив невелике доопрацювання.
Від трансформатора зробив відвід із напругою близько 16 Вольт (за загальної напруги 27 на холостому ходу), а реле перемикає обмотки залежно від вихідної напруги. Щоб знайти потрібне місце для відводу, я використовував гостру голку й мультиметр. Один щуп мультиметра з’єднуємо з будь-яким виводом вторинної обмотки, а другим щупом із голкою шукаємо потрібну напругу, проколюючи лак на дроті. Варто врахувати, що шукати треба різницю — так простіше. Наприклад, трансформатор видає 27 Вольт, потрібно 17: шукаємо 17 або 10. У другому випадку теж буде 17, але відносно іншого виводу вторинної обмотки.
Проколювати лак голкою треба дуже обережно, оскільки лак міцний, і голка може зісковзнути та проколоти первинну обмотку.

Спочатку думав поставити компаратор, навіть купив його і, можливо, ще поставлю, але вирішив спростити.
Щоб реле постійно не клацало туди-сюди, застосовують гістерезис: вмикають за однієї напруги, а вимикають за іншої. Але електромагнітне реле саме по собі має гістерезис.
Наприклад, я використав реле Finder на 24 Вольта: вмикається воно за 13 Вольт, а вимикається за 6 Вольт. Пороги, звісно, не дуже зручні, значно краще було б зробити 12–15, але маємо те, що маємо. Компаратор зроблю потім — там можна буде задати як зручно. Але навіть так розсіювана потужність за низької вихідної напруги менша, а це вже добре.
Реле під’єднане до плюса виходу й мінуса діодного моста, щоб його струм споживання не впливав на індикацію.


Крім того, я під’єднав кнопку ввімкнення навантаження, але вирішив не вмикати її в розрив силового проводу, а зробити елегантніше.
З плати керування виходить напруга регулювання: якщо замкнути її на землю, на виході буде нуль.
У такому варіанті можна спокійно виставити потрібні параметри на виході, а потім просто клацнути вимикачем і отримати задане значення.


І ось що вийшло в результаті.
Для енкодерів я використав такі ручки, але їх довелося трохи вкоротити, оскільки енкодери втоплені дуже глибоко й ручки погано трималися. В іншому проблем не було.






Змін у схемі було не дуже багато, тим паче що додавання стабілізатора на 12 Вольт зумовлене самим використаним вентилятором, але про всяк випадок я вніс їх до принципової схеми.
Усі доповнення та зміни позначені червоним кольором.


Огляд вийшов аж надто великим, я весь час чекав на сповіщення про перевищення ліміту кількості символів. Але для тих, хто не любить довгі огляди, зробив мініверсію з чотирьох фотографій :)))


Трохи про майбутні доробки. Хочу зробити нормальне перемикання обмоток, а також додати пару виходів із фіксованою напругою та індикатор струму навантаження цих виходів. Власне, для цього й залишено вільне місце на передній панелі. Але виходи доведеться зробити вимикними, оскільки знижувати напругу, найімовірніше, доведеться за допомогою ШІМ-перетворювача, а можливі завади.
Можливо, додам регулятор обертів вентилятора, але поки й так усе влаштовує.
Як додаткові матеріали пропоную все, що я зібрав про цей блок живлення, а також кілька даташитів, мій варіант схеми та передньої панелі — посилання.

Ну а тепер можна спробувати підбити підсумки цього довгого огляду. Не буду розписувати плюси й мінуси додаткових товарів — я показав їх у самому огляді, висловлюся лише про плату блока живлення.
Плюси
Дуже висока якість виготовлення друкованих плат
Непогана якість комплектуючих
За правильного складання працює нормально
Налаштування мінімальне й гранично просте
Можна встановити струм без підключення навантаження
Точне регулювання вихідної напруги та струму
Не потрібно купувати вольтметр і амперметр
Термореле для автоматичного ввімкнення вентилятора

Мінуси
Вихідний струм лише 2 Ампери
Чутливий перехід між точним і грубим налаштуванням вихідної напруги та струму
У комплекті немає схеми, інструкція зі складання є в електронному вигляді.

Моя думка. Конструктор однозначно цікавий. По суті, тут є все необхідне для складання блока живлення, додатково потрібні лише трансформатор, радіатор і корпус. Минулого разу часто запитували, як використати замість трансформатора імпульсний блок живлення; тут такої проблеми немає — блок живлення може бути будь-яким. Також були запитання щодо додавання індикації струму й напруги — тут уже «все включено», а ще приємний бонус у вигляді енкодерів: багатообертові резистори не потрібні. Для мене великий плюс у тому, що можна спочатку встановити потрібний струм і лише потім підключити навантаження; у попередньому блоці живлення це було неможливо, особливо за наявності багатообертових резисторів.
І не можна не згадати, що для цього конструктора є початковий варіант програми (щоправда, без енкодерів), який за бажання можна доробити під себе. Теоретично після доробки його можна підключити й до комп’ютера, але мені здається, що в цьому разі це вже зайве.
З мінусів, мабуть, зазначу лише те, що цифровий зворотний зв’язок усе-таки повільніший за аналоговий — тут нічого не вдієш, принаймні дешевими способами.

Звісно, будуть коментарі на кшталт: «Та за хх баксів можна купити готовий блок живлення». Звісно, так і є, не сперечатимуся — купити можна, але ж не все купується за гроші. А як же задоволення від процесу складання, від отриманого результату та й просто від приємно проведеного часу — скільки це коштує?

На кого розрахований цей конструктор? Мені здається, насамперед на радіоаматорів-початківців. Як варіант, його можна подарувати підлітку, який цікавиться радіоелектронікою, — за такий подарунок точно не буде соромно. Такий конструктор може підійти й досвідченішим — просто як корисна річ і нагода приємно провести час.

На цьому, мабуть, усе. Як завжди, чекаю на коментарі й запитання, сподіваюся, огляд був корисним та цікавим.

Товар надано магазином для написання огляду.