Regulovatelný zdroj s LM723

Nastavitelný zdroj stejnosměrného napětí je téměř nutnou součástí dílny každého elektrotechnika. Můžete koupit nějaký typ z rozmanité nabídky obchodů, či vyrobit si něco podle (tu lepších, jinde horších) návodů na internetu. Pokud byste chtěli něco, co vzniklo vlastní rukou, a přitom to nebylo složité, můžete se inspirovat níže.

Pozor! Zdroj se napájí ze síťového rozvodu. Při jeho stavbě byste měli mít odpovídající kvalifikaci nebo oživení svěřit někomu, kdo to po odborné stránce dokáže.

Parametry zdroje

Schéma zapojení

Schéma zdroje vychází z doporučeného katalogového zapojení obvodu LM723 a podobné zdroje najdete na mnoha stránkách na webu. Některá jiná zapojení mohou mít navíc další obvody, jiná i jisté chyby. Zde uvedené schéma je kompromisem mezi jednoduchostí a spolehlivou funkcí napájecího zdroje.

Protože jde o již historický a velmi známý obvod, je uveden pouze stručný popis funkce jednotlivých součástek:

• Transformátor TR1, usměrňovací můstek G1 a filtrační kondenzátor C1 jsou v obvyklém zapojení nestabilizovaného zdroje. Výběr TR1 bude popsán dále. Pro C1 platí, že vyšší kapacita lépe filtruje napájení pro elektroniku (napětí bude méně zvlněné), ale použitelné jsou kondenzátory v uvedeném rozsahu kapacit. Před TR1 je zapojen vypínač a pojistka.
• Řízení zdroje obstarává U1 v katalogovém zapojení pro širší rozsah napětí. Základem obvodu U1 je operační zesilovač, který se snaží udržet na svých vstupech č. 4 a 5 stejné napětí. Kondenzátor C2 zlepšuje stabilitu zpětné vazby.
• Na vývodu č. 6 je zdroj referenčního napětí asi 7 V. Dělič R2 a R3 s filtračním kondenzátorem C3, který zmenšuje šum, přivádí referenční napětí na neinvertující vstup vnitřního OZ. Velikost tohoto napětí pak určuje minimální napětí, které lze nastavit na výstupu zdroje. Kvůli parametrům U1 nesmí být toto napětí menší než 2 V.
• Velikost požadovaného výstupního napětí pak určuje nastavení děliče R1 a R4.
• Protože napájení U1 nesmí překročit 40 V, je do zapojení vložen omezovač R10, D2 a C4. Pokud by nestabilizované napětí na C1 přesáhlo zmíněných 40 V, mohlo by dojít k poškození U1. D2 napájení pro LM723 omezuje na přibližně 36 V.
• Jako výkonový regulační prvek je zvolen tranzistor T1 v Darlingtonově zapojení řízený z výstupu č. 10. Protože se na něm může objevit velká tepelná ztráta, musí být umístěn na dostatečném chladiči (viz dále).
• Proudové omezení začíná pracovat při úbytku asi 0,6 V na rezistoru mezi emitorem T1 a výstupní svorkou. Velikost odporu je nastavena pomocí trojpolohového spínače SW1. Pro nejnižší proud je zapojen pouze R7, dvě vyšší proudové omezení se volí paralelním připojením R5 nebo R6.
• Kondenzátor C5 zlepšuje odezvu na skokovou změnu odběru, zmenšuje překmit při odlehčení výstupu. D1 chrání výstup proti některým napětím přivedeným z vnějšku zdroje. R9 je vložen na ochranu vstupu snímání proudu u obvodu U1.
• Poslední 3 součástky - tj. T2, R11 a D3 nejsou pro vlastní funkci zdroje nutné a mohou být vynechány. Tvoří totiž pomocný napájecí zdroj 15 V, který je přichystán pro číslicový indikační modul, jaký můžete vidět na fotce zdroje. V zobrazeném vzorku byl použit kombinovaný dvojitý čtyřmístný měřák U+I+t+P, jehož odběr je do 15 mA. Napájecí napětí má však zvolený modul omezené v rozsahu 4-28 V.

Varianty součástek

Výše uvedené schéma zdroje i návrh plošného spoje jsou připraveny pro LM723 (nebo MAA723) v plastovém pouzdře DIL14. V zásobách mnoha amatérů i výprodejích obchodníků se ale často nachází tento integrovaný obvod v kovovém provedení TO-100. Obě varianty mají stejnou orientaci řazení vývodů. Po patřičném naohýbání vývodů kovového pouzdra lze na místě U1 použít i MAA723 v kulatém kovovém pouzdře.

Nejdražším a asi rozhodujícím dílem zdroje je transformátor TR1. Pro zdroj s výstupem do 30 V by byl optimální transformátor se sekundárním napětím kolem 28 V. Bohužel takové transformátory nejsou úplně běžné. Na rozdíl od nich jsou mnohem dostupnější transformátory na 24 V. Bývají součástí regulační, řídicí a osvětlovací elektroniky a vedou je téměř všechny elektroobchody.

Máte-li k dispozici transformátor na 24 V, je možné jej za jistých podmínek použít. V daném zapojení by vyhověl pro regulovatelný zdroj s výstupem do asi 25 V, protože musíme počítat s úbytkem na G1, T1, a R5 až R7. Velké omezení je dáno také tím, že výstup (vývod č. 10) obvodu U1 nedokáže pracovat plně až k napájecímu napětí. Naprázdno by sice zdroj byl schopen regulovat výstup až do 30 V, po zatížení byste asi na výstupu objevili pokles a zvlnění napětí.

Aby se dal použít i TR1 na 24 V, lze napájení U1 mírně zvýšit a zvětšit tak rozsah regulace výstupního napětí. Pro tento úkol je potřeba vyrobit malý nestabilizovaný zdroj s pomocným transformátorkem na 4 až 6 V / 0,25 VA podle následujících obrázků.

Příklad takového pomocného zdroje je zde:

Zdroj se pak zapojí na primár TR1 a jeho výstup do přerušeného bodu "A" ve schématu tak, aby zvýšil napětí na R10 o cca 6 V.

Transformátor TR1 by měl mít výstupní výkon minimálně 50 VA. Optimální z hlediska velikosti a výkonové rezervy je rozmezí mezi 60 až 80 VA.

Dalším volitelným prvkem je chladič pro tranzistor T1. Při maximálním ztrátovém výkonu (výstup zdroje ve zkratu a omezení proudu na maximu) se na něm bude ztrácet přes 40 W výkonu. Pro toto by bylo potřeba použít chladič s tepelným odporem kolem 2 °C/W. I tak by po určité době byl chladič rozpálený na nepříjemnou teplotu, o kterou se již spálíte.

Pokud oželíte tento provoz a budete počítat s kratší dobou provozu v mezních podmínkách, můžete použít i menší chladič - např. s R_th = 4 °C/W. Aby pak náhodně nedošlo k přehřátí a poškození T1, je potřeba zajistit ochranu proti vysoké teplotě. Stačí do bodu "B" v zapojení zdroje vložit teplotní bimetalovou pojistku, která je v klidu sepnutá a při přehřátí rozepne. Je třeba ji pevně ale přes izolační podložku přichytit na chladič vedle T1. Příklad takové vratné pojistky na 60 °C je na následujícím obrázku:

Mechanická konstrukce

Pro svůj zdroj můžete použít libovolnou krabičku odpovídající velikosti. Vzorek na obrázku byl vestavěn do plastové krabičky KM60. Pokud by vaše verze byla v kovové skříňce, nezapomeňte použít pro napájení 3žilový kabel a na její stěny připojit ochranný zelenožlutý vodič.

Součástky, které se ve schématu, nacházejí v čárkovaném obdélníku jsou umístěné na jednostranné desce plošného spoje o velikosti 70 x 45 mm. Zbytek součástek je přichycen na přední panel nebo vzadu na chladič. Tentokrát je deska navržena metodou dělících čar tak, aby ji bylo možné snadno vyrobit i bez zvláštního vybavení. Postup najdete zde.

V rozmístění součástek si povšimněte, že R6 je umístěný nastojato a z jeho druhého konce vede vodič k emitoru T1. Podobně by se osadil i R10 v případě použití pomocného zvyšujícího zdroje s transformátorem TR2.

Postup oživení

Po kompletní prohlídce celého zapojení můžete přistoupit k vlastnímu nastavení elektroniky zdroje:

1. Změřte, zda na kolektoru T1 je bez odběru přes 40 V (při TR1 na 28 V) nebo kolem 36 V (pří TR1 na 24 V). Ve druhém případě je vhodné použít zvyšující pomocný zdroj s TR2.
2. Změřte napětí na R3. Mělo by být v rozsahu 1,9 až 2,1 V. Není-li tak, upravte jej změnou hodnot R2 nebo R3, aby se přiblížilo ke 2 V. Obvykle stačí jeden z rezistorů na jedné straně doplnit sériovým rezistorem s hodnotou cca 100 až 470 Ω.
3. Vytočte potenciometr R1 na maximální hodnotu. Zkontrolujte, jestli je výstupní napětí zdroje 30 V. Pokud ne, upravte hodnotu R4 buď přidáním sériového rezistoru s desítkami Ω nebo paralelním s desítkami kΩ.
4. Vyzkoušejte funkci proudového omezení. Při nastaveném napětí zmenšujte zátěž na výstupu zdroje a otestujte, kdy začínají zabírat jednotlivá proudová omezení.
5. Je-li k dispozici osciloskop, ověřte, že výstupní napětí zdroje je hladké a nemá žádné zákmity.

Užitné vlastnosti zdroje vzrostou zapojením měřidel výstupního napětí a proudu. Můžete použít některý z dostupných digitálních modulů, pro jejichž napájení je připraven pomocný zdroj 15 V. Nebo můžete zvolit klasická ručičková měřidla.

Závěr

I když byl ve zdroji použit obvod, který patří již téměř do historie, jeho vlastnosti pro obyčejnou amatérskou praxi zcela vyhovují. Jde o léty prověřené zapojení bez nějakých záludností snadno opravitelné a pochopitelné i pro začátečníka.

Na rozdíl od některých exotických integrovaných obvodů se dá předpokládat, že zásoby náhradních dílů pro uvedený zdroj jsou u nás prakticky nevyčerpatelné...