Лабораторный блок питания «Тихоня»

Каждый радиолюбитель рано или поздно приходит к осознанию того факта, что ему требуется регулируемый источник питания. Об идеальном ИП ходят легенды, более смахивающие на мифы, а в поисках идеальной схемы сломано немало копий. И как бы ни был интересен поиск идеала, а пользоваться нужно чем-то прямо сейчас. Имея скромный опыт в радиогулюбительстве, хочу рассказать о своём поиске и его завершении.



Для начала ознакомимся с характеристиками прибора.

Особенности источника питания «Тихоня»:

• быстродействующая токовая защита обеспечивает высокую степень защиты питаемых устройств;
• прочность к отрицательному напряжению на входе (переполюсовка), отсутствие «защитного» диода на выходе источника;
• полностью пассивное охлаждение: без вентиляторов — без шума;
• линейные регуляторы напряжения и тока;
• высокая разрядность установки и измерения выходных параметров (10мВ/1мА);
• отсутствие выбросов напряжения на выходе при включении/выключении, «сбросе» нагрузки;
• два энкодера для быстрой установки выходных параметров;
• электронное подключение и отключение нагрузки;
• малые габариты и масса.

Технические характеристики источника питания «Тихоня»:

Максимальная выходная мощность: 150 Вт

Режим постоянного напряжения
Диапазон установки выходного напряжения: 10 мВ ÷ 30 В
Дискретность установки выходного напряжения: 10 мВ
Погрешность установки выходного напряжения: ±(0.2% + 20 мВ)
Пульсации выходного напряжения (режим CV), не более: 2 мВ RMS

Режим постоянного тока
Диапазон установки выходного тока: 5 мА ÷ 5А
Дискретность установки выходного тока: 1 мА
Погрешность установки выходного тока: ±(0.4% + 4 мА)
Пульсации выходного тока (режим CС), не более: 2 мА RMS

Точность измеряемых величин
Диапазон измерения выходного напряжения: 0 ÷ 30 В
Дискретность измерения выходного напряжения: 10 мВ
Погрешность измерения выходного напряжения: ±(0.2% + 20 мВ)

Диапазон измерения выходного тока: 0 ÷ 5 А
Дискретность измерения выходного тока: 1 мА
Погрешность измерения выходного тока: ±(0.4% + 4 мА)

Питание: 230 В ± 10%
Габариты, ДхШхВ: 210 х 140 х 90 мм
Масса, не более: 1.5 кг

Продукт имеет сертификат соответствия требованиям Технического регламента Таможенного союза в части электробезопасности и электромагнитной совместимость технических средств. Сертификат доступен на сайте производителя.

Первое, что приходит на ум, когда видишь и берёшь в руки «Тихоню» это «Какой же он маленький и лёгкий!» Действительно, по сравнению с MPS-3003D он кажется игрушечным. Как-никак 1.5 кг против 5.6 у Matrix'а. В голову начинают приходить мысли об импульсных источниках питания. Отчасти это верно, но давайте разберёмся во всём по порядку.

Прибор выполнен в корпусе G768 производства Gainta, габаритные размеры которого составляют 190 x 140 x 90 мм (Д х Ш х В). На задней стенке расположен коннектор кабеля питания со встроенным предохранителем, а на передней — индикаторы, органы управления и клеммы выхода. Снизу корпус имеет резиновые ножки, предотвращающие скольжение.

Внутри «Тихоня» состоит из четырёх блоков: резонансный преобразователь, синхронный step-down, линейный стабилизатор и блок управления и индикации. Это условно-функциональное разделение и физических плат только три.

Не будучи достаточно грамотным в вопросе устройства и работы прибора, я обратился за разъяснением к разработчикам и получил следующий ответ.

«Принцип работы резонансного преобразователя довольно прост. Если абстрагироваться от лишних сущностей, то выглядит он следующим образом.

Диодный мост и конденсатор образуют постоянное напряжение, эта часть традиционна для 99% импульсных источников питания. Контроллер преобразователя управляет полумостом из полевых транзисторов с заполнением 0.5, формируя прямоугольные импульсы. Эти импульсы поступают на резонансный контур (РК), образованный первичной обмоткой трансформатора и резонансным конденсатором. Поскольку частота прямоугольных импульсов близка к точке резонанса РК, ток в первичной обмотке близок к синусоиде.

Как известно, в резонансном контуре напряжение выше прикладываемого, т.е. получается своеобразный коэффициент усиления (в расчетах обозначается М). Данный коэффициент усиления М, в числе прочего, зависит от частоты импульсов — при снижении частоты он увеличивается, при увеличении уменьшается.

Регулировка выходного напряжения осуществляется за счет изменения частоты импульсов, при этом частота работы преобразователя ограничивается так, что переключение транзисторов происходит в районе нуля напряжения (ZVS), что сводит динамические потери практически к нулю, а помех от переключения почти нет. Последнее наиболее важно, т. к. наличие большого радиатора пережить можно, а вот источник помех в ЛБП это очень плохо.

Сердцем «Тихони» является микропроцессор. Именно он формирует ШИМ для step-down, формирует опорные напряжения для линейного стабилизатора, измеряет текущие значения напряжения и тока, и реализует пользовательский интерфейс (обработка энкодеров, индикация и прочее).

Микропроцессор с помощью встроенных ЦАП формирует опорные напряжения для регуляторов напряжения и тока, одновременно с этим с помощью АЦП измеряет напряжение и ток на выходе. Таким образом, МК всегда знает что он задал регуляторам и что на самом деле на выходе. На основании этих данных он формирует ШИМ для step-down так, чтобы падение напряжения на линейном регуляторе было в районе 1 В. В итоге, при максимальном токе в 5 А на линейном регуляторе выделяется всего около 5 Вт тепла.

На самом деле алгоритм формирования ШИМ достаточно сложный и при малых токах падение на линейном регуляторе может быть и больше, но это уже тонкости реализации. В целом, потери на линейном регуляторе не более 5 Вт.

На русском языке о принципе работы резонансного преобразователя можно почитать в этой статье.

В нашем приборе используется другой контроллер резонанса, но это не принципиально.»

Кстати, одной из причин, по которой я выбрал «Тихоню», как раз и стала та, что разработчик – наш, российский. Общение не составляет никаких проблем, на все мои вопросы мне отвечали быстро и полно, к пожеланиям прислушивались. Лично я готов заплатить пусть немного дороже, но отечественному производителю. Нужно поддерживать и развивать своё. Тем более, что продукция весьма конкурентоспособна.

Но вернёмся к прибору.

Органов управления у прибора немного и все они расположены на передней панели: тумблер включения питания, два энкодера и кнопка включения и отключения выхода (тактовая). Для индикации используются два ряда по четыре семисегментных индикатора (напряжение и ток) и два светодиода для отображения текущего режима работы — «CV» или «CC» (при отключенном выходе не горит ни один из них). На мой взгляд это оптимальное сочетание; информативно, ясно и не перегружено.



Управление выходными параметрами простое и в то же время функциональное. Для изменения того или иного параметра просто нажимаем ручку соответствующего энкодера. Изменяемый разряд начнёт мигать. Вращением ручки меняем значение (с переходом через ноль и с увеличением старшего разряда или с уменьшением младшего), а для смены позиции курсора нажимаем ручку ещё раз. Курсор между разрядами перемещается по кругу от младшего к старшему. Выход из режима настройки автоматический по истечении определённого времени (задаётся в диапазоне от 5 до 100 сек. с помощью пользовательских настроек).

Единственное неудобство вызвано небольшим весом прибора. При нажатии на ручку большим пальцем приходится остальными придерживать корпус сверху, чтобы он не двигался.

А если придираться к мелочам, то мне не хватает яркости индикаторов режима работы «CC» и «CV». Дело в том, что данные индикаторы суть светодиоды, установленные вплотную к прозрачным областям передней панели. Из-за этого они не так хорошо различимы в светлом помещении. Особенно это касается зелёного светодиода режима «CV». Это не было бы особой проблемой, если бы данный индикатор не сигнализировал ещё и о работе выхода.

Установка выходных значений напряжения и тока на «Тихоне» несколько отличается от таковой на MPS-3003D. На Matrix’е нам нужно включить выход, установить желаемое значение напряжения (причём это невозможно сделать при минимальном положении регуляторов установки тока «грубо» и «точно»), затем закоротить выходы и установить ограничение по току. У «Тихони» всё наоборот. Мы сначала устанавливаем желаемые значения напряжения и тока и только потом включаем выход. Впрочем, подстраивать параметры «на лету» можно на обоих приборах. Лично мне вариант «Тихони» нравится больше — уменьшается количество операций и необходимые параметры, в отличие от Matrix’а, отображаются и при отключенном выходе.

Устройство запоминает какой разряд мы изменяли последний раз и при очередном входе в режим установки значения не придётся каждый раз перемещать курсор до нужного места.

Не стоит и говорить о том, что последние установленные значения запоминаются при выключении питания. Но важно отметить, что устройство всегда включается с отключенным выходом, так что нет повода беспокоиться о случайной подаче неверного напряжения на нагрузку.

Кстати, «Тихоня» имеет защиту от переполюсовки. То есть это не просто диод на выходе, а полноценное отключение выхода при подаче на него отрицательного напряжения. В видеоролике на сайте производителя этот момент очень хорошо отражён. Смотрите сами:



Там же есть ролик о токовой защите. Тоже даёт определённое представление о работе прибора, когда нет возможности пощупать его вживую:



Однако давайте перейдём к самому интересному – попробуем измерить выходные параметры прибора.

Наибольший интерес вызывает точность соблюдения установленных значений, особенно под нагрузкой. Исходя из того, что максимальное выходное напряжение «Тихони» составляет 30 В, а ток – 5 А, вычисляем сопротивление нагрузки для максимальной мощности (150 Ватт) — оно равно 6 Ом. Найти такое сопротивление весьма проблематично и я использовал десять сопротивлений по 51 Ом, включенных параллельно. Поскольку их точность составляет 5%, удалось получить общее сопротивление в 5.68 Ома по показаниям мультиметра и 5.684 по закону Ома :-) – в режиме «CC» выходной ток составил 5 А, а напряжение – 28.42 В.

Для измерений будем использовать следующий набор инструментов:
• осциллограф «ATTEN ADS1102CA» – 100 МГц, 1 Гвыб./сек., подключен к сети через развязывающий трансформатор;
• щуп PP510 с самодельной пружиной из медной проволоки, делитель в положении 1х;
• мультиметр «Victor 86E».


Мультиметр не претендует на звание сверхточного прибора, но в июле 2016 года он был откалиброван по поверенному калибратору Fluke 715:


Вначале произведём замеры напряжения и тока. В левом столбце у нас будут значения, выставленные на источнике питания, а в правом – измеренные с помощью мультиметра. Необходимо учесть, что мультиметр имеет 22 000 отсчётов и пределы измерения тока в 200 мА и 10А, поэтому разрядность в замерах изменяется при переключении пределов.

Сначала напряжения в режиме «CV» (вольты):


Теперь ток в режиме «CC» (миллиамперы до значения 200 и далее амперы):


Теперь измерим просадку напряжения в режиме «CC» с максимальным током (5 А). Измерения будем проводить всё тем же мультиметром на выходных клеммах прибора. Первый столбец таблицы содержит установленные значения, второй – отображаемые прибором в режиме «CC», третий – измеренные мультиметром.


Показатели очень хорошие! И всё время держим в уме, что мультиметр у нас не самый точный измерительный прибор. Кстати, в режиме «CV» при установленном напряжении на выходе 12 В и при действующем токе 4.998 А индикатор «Тихони» показывал 12.00 В, а мультиметр – 12.001 В.
Теперь перейдём к «микроскопу в мире напряжений» – к осциллографу.

Осциллограммы будем снимать непосредственно с выходных клемм источника. Для измерения уровня пульсаций будем использовать закрытый вход осциллографа (режим AC) и включим ВЧ-фильтр для подавления наводок.


Под конец хочу высказать собственное мнение о регулируемом источнике питания «Тихоня» и о самой компании «E-Core».

Я очень доволен приобретением. Небольшие габариты, малый вес, дискретная установка параметров, ток 5 А, пассивное охлаждение. Особо не представляю чем ещё полезным можно оснастить такой прибор. Хотя… Вольтметр! Было бы очень удобно иметь возможность по-быстрому посмотреть напряжение на нагрузке. Например, при зарядке АКБ.

И знаете что? Я поделился своим пожеланием с разработчикам и они со мной согласились! Следующие версии «Тихони» будут обладать подобным функционалом, причём с настраиваемыми параметрами. И это не единственный момент, по которому мы вели переписку и пришли к взаимопониманию. Такие вещи очень радуют, хотя осознаёшь это далеко не сразу.

Плюс ко всему, «E-Core» активно развиваются. В ассортименте их продукции, помимо ЛБП «Тихоня», есть и решения для «самоделкиных» — модуль на 30 В 10 А (подороже) и 30 В 6 А (подешевле) – этакие «мозги», на базе которых можно самому собрать регулируемый источник питания. А ещё готовится двухканальный «Тихоня» с возможностью параллельного и последовательного включения каналов.

«Но это уже совсем другая история…»