Моделируем и паяем линейный блок питания

1 июля 2020

Любой, кто пытался сделать линейный блок питания, знает, что задача это несколько сложнее, чем преподносится в книжках. Схема-то простая. Но как понять, каковы должны быть номиналы компонентов в ней? Какой ток сможет выдавать БП при использовании заданных компонентов? Сегодня мы сделаем линейный блок питания на 5 В и в процессе попробуем ответить на эти вопросы.

Важно! Электричество — опасная штука. Знайте, что неосторожное обращение с ним может привести к вашей смерти. Не допускается повторять проект, если вы не знакомы с техникой безопасности при работе с 220 В.

Построение модели

Было решено построить модель будущего БП в LTspice. Вот что получилось:

Модель линейного блока питания в LTspice

Модель можно скачать здесь. Схема и принцип ее работы описаны во многих источниках, поэтому не будем задерживаться на этом моменте.

Небольшой трансформатор китайского производства под названием «EI-35*15 230V 50Hz 6V 3VA» у меня уже был. Измеренные сопротивление и индуктивность вторичной обмотки составили 3 Ом и 18.84 мГн соответственно, первичной — 1.4 кОм и 17.77 Гн. Эти значения и были использованы в модели. Коэффициент 0.995 взят с потолка. Он отражает потери на трансформаторе и должен быть чуть меньше единицы.

Емкость C1 была подобрана так, чтобы выходное напряжение при потреблении нагрузкой 200 мА держалось в пределах 5-6 В:

График выходного напряжения линейного блока питания

Минимальное и RMS значение напряжения:

Минимальное и RMS напряжение на выходе линейного блока питания

На диодах D1-D4 при включении БП видим ток до 1.3 А, и после заряда конденсатора C1 — до 0.65 А. Похоже, что можно использовать диоды 1N4001. Они способны выдерживать прямой ток до 1 А, а импульсный ток — аж до 30 А. Но БП планировалось нагружать выше расчетного лимита. Поэтому были использованы диоды 1N5408. Они рассчитаны на прямой ток 3 А и импульсный ток до 200 А.

Также из модели мы узнаем, что ток через R2 может достигать 1.2 А. Поскольку это сопротивление вторичной обмотки трансформатора, то в реальной схеме R2 не будет. Но на его месте будет стоять предохранитель. Значит, предохранитель должен быть где-то на 2 A.

Само собой разумеется, напряжением V(out) как на скриншоте мы ничего питать не можем. Я хотел использовать какой-нибудь линейный стабилизатор с низким падением напряжения (LDO). Но оказалось, что к подходящим для задачи LDO, доступным в локальных магазинах, не так-то просто найти модель для LTspice. Поэтому в модели пришлось обойтись без LDO.

Пайка и тестирование

Блок питания у меня получился таким:

Самодельный линейный блок питания

Стенд сделан из оргстекла, склеенного прозрачным эпоксидным клеем. В качестве LDO был использован L4941BV. Он выдает напряжение 5 В и ток до 1 А. Согласно даташиту [PDF], при токе 200 мА падение напряжения составляет лишь 0.15 В. Сам же стабилизатор при этом потребляет около 10 мА. Ожидалось, что в итоге БП сможет выдавать 150-180 мА.

Полная схема (кликабельно):

Схема линейного блока питания

Блок питания тестировался при помощи 5-ваттных резисторов. Их номиналы уменьшались, то есть, ток увеличивался, до тех пор, пока на осциллографе не появилась рябь (ripple) в 60 мВ:

Рябь (ripple) линейного блока питания на осциллографе

Произошло это на нагрузке 23 Ом. Соответственно, ток составил 217 мА, а мощность — 1.085 Вт.

Для измерения потребляемой мощности и коэффициента мощности был использован ваттметр МЕГЕОН 71017:

Ваттметр МЕГЕОН 71017

Согласно прибору, на такой нагрузке БП потребляет 2.75 Вт. Эффективность составила:

>>> 1.085/2.75
0.39454545454545453

Мы можем посчитать активную мощность (active power) в LTspice, как среднее от произведения входного тока на входное напряжение. Эта величина уже учитывает коэффициент мощности вместе с любыми искажениями в кривой потребляемого тока. Выходная мощность нам известна, она составляет 5 В умножить на 200 мА, или 1 Вт. Но такие расчеты дают эффективность не более 32%.

Также при использовании директивы .four 50 I(V1) модель выводит коэффициент мощности в SPICE Error Log:

Total Harmonic Distortion: 13.259803% PF=0.441966

Однако прибор показывает PF равный 0.925. В общем, такая упрощенная модель не подходит для оценки эффективности и коэффициента мощности.

Заключение

Сегодня мы многое узнали о линейных блоках питания. А именно — как понять, какие диоды нужно использовать в диодном мосту, на какой ток должен быть предохранитель, какой емкости должен быть конденсатор, а также как измерить КПД блока питания.

«Наивная» модель может быть использована для подбора номиналов компонентов. Однако если вы хотите оценить эффективность или коэффициент мощности блока питания, то моделировать его нужно вместе с LDO. За более точную модель придется заплатить лишними ограничениями на выбор компонентов.

Был изготовлен линейный блок питания на 5 В и 200 мА. Его эффективность не высока. Однако ценят линейные блоки питания не за эффективность, а за простоту, надежность, отсутствие ВЧ-наводок, а также способность выдавать стабильное напряжение.

Метки: .