Подключение нагрузки к регулируемому блоку питания бистабильной кнопкой

Лет 5 назад потребовался регулируемый блок питания. Сделал, как и многие, из «народных» китайских модулей по видео Alex'а Gyver'а. Со временем, к нему захотелось добавить еще и кнопку для включения и отключения нагрузки. Но внезапно оказалось, что конденсатор на выходе и разные реактивные устройства, подключаемые к блоку питания запросто заставляют «залипнуть» тумблер или контакты реле. Победил параллельным подключением реле и MOSFET'а. Если интересно, как именно — подробности под катом.


Статья носит иногда развлекательный, а местами возможно и познавательный характер, правда скорее для тех, кто как и я с электроникой только знакомится. Для тех же, кто с ней уже и очень даже знаком, всё равно остаётся возможность веселья или пользы в комментариях.

Зачем?

Вначале, потребность именно в регулируемом блоке питания возникла у меня из-за моделирования — для терморезки пенопласта по шаблону нихромовой струной. С таким БП было бы удобно подобрать нужное напряжение и ток для конкретных задач, поскольку точных рецептов тут нет — разный диаметр проволоки, разная её длина, толщина и плотность пенопласта. Попалось тогда видео на канале Alex Gyver: простой БП из модулей, и как раз с регулировкой и напряжения и тока, загорелся сделать.

Модули были приобретены на Али: AC-DC~230В -36В, до 5А и понижающий DC-DC преобразователь на XL4016 с режимами стабилизации заданного напряжения и тока (CV и CC) до 8А. (ссылки для примера, мои уже давно протухли)
И ещё компоненты к ним там же: для индикации и настройки — цифровой ампер-вольтметр и два многооборотных переменных резистора на ток и напряжение. Для подключения — винтовые зажимы с пластиковой гайкой с совмещенными разъемами типа «банан». После их получения, запаял на плату DC-DC переменные резисторы тока и напряжения вместо подстроечных, и, как ни странно, после сборки всё успешно заработало. Даже корпус сделал из ламината и пластика. Вышло немного так себе, но вполне функционально.

В процессе настройки выснилось, что выбранный ампервольтметр точностью не страдает, ни по амперам ни по вольтам. Регулировкой удалось добиться отклонений не больше ~150 мВ и тока не больше ~100мА при токах больше 2А. Напряжение можно выставить от 1.4В и до 35.8В. Ограничение тока от 50 мА, но устойчивый режим CC начинается от ~200 мА. В общем-то, для моих задач такой «точности» этого показометра хватало.

Позднее добавил включение тумблером и вентилятор для обдува, управляемый несколькими, включенными параллельно термореле KSD-01F 55°C. Закрепил их на радиаторы плат AC-DC и DC-DC.
Мощность блока питания получилась около 150Вт. В принципе, на первое время хватало, даже с запасом. Да и до сих пор хватает ;) Вообще, как оказалось, для нихромовой струны больше 2А и не требовалось, так что можно было использовать модули поскромнее. Но мне заранее это было неизвестно и так уж получилось.

Помимо питания струны, стал использовать его для самоделок, которые собирал сначала на макетке, а запитывал от этого БП- удобно, напряжение выставляется и видно потребляемый ток, правда, если он больше ~50 мА. Ещё можно его (ток) заранее ограничить, что-бы исключить КЗ, хотя ограничение начинает стабильно работать только c ~200 мА, это слишком грубо. Метод установки ограничения тока был простой — закорачиваются щупы с выхода БП, переводя DC-DC в режим ограничения тока и устанавливается по амперметру нужное максимальное значение. Уже тогда заметил, что касание щупами друг друга приводит к искрению — выходной конденсатор разряжается. Да так, что даже на крокодиле может отметина остаться. Можно сопротивление поставить, но низкоомное не поставишь, ставить нужно достаточно большое, а оно поможет слабо. Правильное решение — радикально уменьшить емкость на выходе, а идеально вообще убрать конденсатор с выхода, но DC-DC импульсный, и без него не обойтись. Поначалу просто решил оставить всё как есть и не обращать на это внимания.

Проблема

В общем всё шло хорошо, но надоело каждый раз дёргать крокодильчик или разъем, это было не очень удобно. И захотелось сделать кнопку включения и выключения нагрузки. Сначала просто маленький тумблер воткнул, но как-то он очень быстро «залип». Понимание, почему так произошло появилось сразу: вспомнил про ёмкость на выходе и отметину на щупе. Надо было либо ставить что-то большое и мощное, контакты у чего способны «держать» реактивный всплеск. Либо придумать как сделать с обычным реле. Захотелось именно механическую кнопку без фиксации, из неё решил сделать именно бистабильную кнопку, с переключением состояния.

Было понятно, что если для подключения нагрузки использовать обычное реле, а не гигантское, то с его контактами может быстро случиться тоже, что и с тумблером. Поскольку тогда только начал знакомится с «современными» достижениями в электронике, узнал про силовые полевые транзисторы MOSFET. У них очень маленькое сопротивление между «истоком» и «стоком» во «включенном» состоянии, и они могут в этом режиме довольно много ампер «протащить» через себя. Но все равно, MOSFET в постоянном включении будет греться.
Возникла идея — нагрузку подключать через параллельно соединенные контакты реле и MOSFET. С маленьким разрывом по времени — сначала MOSFET кратковременно принимает «ударную» нагрузку, потом подключаются контакты реле, шунтируют MOSFET и он дальше не участвует, и поэтому не греется. И контактам реле не «поплохеет» при включении.

Решение

Реле и транзисторы IRFZ44N у меня были с разбора какого-то старого ИБП — вполне для такой роли подходящие. Не сразу до меня дошло, что N-MOSFET по сути «коммутирует» минусовую шину. Разыскал схему бистабильной кнопки на 555 таймере, просто он был под рукой, а варианты «попроще», на мосфетах мне запустить не удалось. Приступил к реализации задуманного. Схема подключения нагрузки, предварительно получилась такая.
По схеме, реле включается чуть позже силового MOSFET, из-за времени на заряд конденсатора между затвором и стоком транзистора. Диод параллельно резистору в цепи затвора добавлен для ускорения разряда этого конденсатора при отключении.

Сначала всё на макетке без пайки собрал, уточнил номиналы конденсатора и резистора для задержки включения реле чуть меньше секунды. Они зависят от параметров выбранного транзистора. У меня, в дополнение к силовым IRFZ44N нашлись ещё какие-то, со старой материнской платы.

Дальше спаял уже на макетной плате на текстолите, добавил временную RC цепочку и еще один MOSFET для управления реле. Ещё добавил такую же цепочку с задержкой для замыкания шин, при установке ограничения тока. После этого стало удобно предварительно выставлять максимальный ток без подключения нагрузки. И тоже получилось и заработало.
Платы травить не стал, в детстве пару раз мучился с рейсфедером, цапон-лаком и медным купоросом, мне не понравилось. А для заказа маловато и мелковато. Оставил все на макетной плате.

Для добавления реле и платы с бистабильной кнопкой пришлось изменить первоначальное местоположение модулей, но корпус заново делать не стал. Поэтому внутри всё довольно тесно стало и проводов получился клубок. А поначалу-то, конечно, всё было красиво-аккуратненько. Честно-честно ;)
Кабель-менеджменту стоит поучиться.

Кнопки выбрал с довольно «длинным» ходом, для исключения случайных задеваний. Мне они тактильно нравятся, ещё и реле щелкает приятно и с небольшой задержкой. И функционально, как и хотел.

Работа над ошибками

Успешно щёлкал кнопкой использовал в таком виде года три, пока не столкнулся с новой проблемкой. Когда моделировал управление ШИМ для 12В двигателя бормашинки, нарвался на ситуацию, когда по кнопке нагрузка не выключилась. Светодиод отключился а движок продолжил вращение. Отключил от сети, стал разбираться — клеммы реле «залипли». После отключения и подключения всё снова заработало, но через пару-тройку запусков опять залипло и не отпускало. Так же «вылечилось» после нескольких «перезагрузок», но стало понятно, что в моей схеме имеется недостаток: включение реле происходит после MOSFET'а, тут всё хорошо. А вот выключается оно тоже после MOSFET'а, и при индуктивной нагрузке это иногда не очень-то хорошо для его контактов, т.к. при разрыве контактов индуктивность обмоток дает индуктивный выброс. В моем случае проблемка решилась после добавления защитного диода между контактами двигателя.

Но появилась мысль улучшить схему уже вЫключения нагрузки — сделать так, чтобы MOSFET выключался после отключения реле. Немного погуглил, подумал и сделал новый вариант схемы подключения нагрузки, добавил ещё одну RC-цепочку с диодом, для выключения силового MOSFET'а с небольшой задержкой.
На макетке без пайки уточнил номиналы, поморгал светодиодами, добился стабильной работы. Зеленый светодиод — включение реле, красный светодиод — транзистор, он включается раньше и выключается позже реле.

В самом блоке немного изменил номиналы, ближе к тому, что у меня сейчас используется. Всё обошлось «малой кровью»: доработка свелась к добавлению конденсатора 22мкФ, диода и резистора на 10к. И даже на старой макетной плате для них нашлось местечко, переделки получились минимальные.

Результат

В общем, и включение-выключение и установка тока в таком режиме работает уже несколько лет и вроде бы не ломались, кроме одного раза с двигателем. Для индуктивной нагрузки потребовалась небольшая доработка, теперь, думаю, работать будет надёжнее.

Стоит отметить, что у этой схемы имеется недостаток (уверен, что и не один). Если нажимать кнопку чаще, чем закончатся все переходные процессы, то последовательность включения реле и транзистора может и нарушится. Для меня это вполне терпимо.

В целом, мне мой велосипед такая доработка нравится, с ней стало намного удобнее, чем было без неё ;)

Если использовать модуль бистабильной кнопки с Али, а не паять его вручную, как я, то можно схему подключения нагрузки и её реализации сильно упростить, и сделать всё намного аккуратнее. А если применить микроконтроллер, то всё должно получится проще с точки зрения схемы и лучше с точки зрения надежности. Ну а на готовых блоках питания такая кнопка и вовсе обычно уже есть.

Ещё понял, что для наладки мелких электронных самоделок лучше использовать линейный блок питания небольшой мощности, тогда можно минимизировать или совсем исключить значительные ёмкости на выходе.

Надеюсь, что кому-то, кто знакомится с электроникой, мой материал пригодится.

P.S.

Решил оформить небольшое резюме после чтения комментариев. Смысл этого послесловия — вывод о полезности и нужности контактов реле параллельно мосфету.

Сначала был поставлен под сомнение тезис о том, что MOSFET во включенном режиме будет греться, а реле ничем не лучше современных MOSFET-ов. И в этом контексте, подкинули идею измерить переходное сопротивление контактов реле.
В блоке питания сейчас стоит Beamish на коммутации нагрузки и Tainbo на замыкании выходов для установки тока ограничения. Нашёл в запасах такие же и замерил. А заодно нашел ещё и Zettler с Omron для сравнения.

Beamish = 8.6мОм

Tainbo = 10.3мОм

Zettler = 5.3мОм

Omron = 4.4мОм

Получается, что сопротивления контактов сопоставимы: хорошие реле — лучше «плохих» транзисторов, а хорошие транзисторы — лучше «плохих» реле.

Потом были подозрения, что при низких напряжениях С-И мосфет будет работать в линейном режиме, а значит — сильно греться.
Мне потребовалось подтверждение на практике, нашел у себя MOSFET с сопротивлением 6 мОм и допустимым (максимальным) током 55А. Мне столько тут не нужно, поэтому просто подал на затвор 12В и «закоротил» выходы БП на С-И. Первый мосфет я так спалил, забыв включить 12В, оставив затвор по сути «висящим» в воздухе. После включения основного БП, из мосфета вышел белый дым. С другим мосфетом так не делал, включил сначала 12В на затвор, потом уже подал напряжение на С-И. Из моего БП удалось «выжать» чуть больше 5А. Мосфет этого как-будто и не заметил. Оставил его в работе минут на пять и не обнаружил никаких признаков нагрева.
Получается, для коммутации нагрузки от реле вполне можно избавится и оставить только MOSFET, желательно выбрать его с низким сопротивлением открытого канала — меньше 10 мОм.

Плавное (в течение короткого времени) включение MOSFET при подключении нагрузки — возможно неплохое решение, MOSFET только нужен достаточно мощный, способный пережить кратковременную работу в линейном режиме. Пожалуй оставлю его как есть ;)