Перейти к содержанию

Лабораторный блок питания

Лабораторный источник питания нужен не только чтобы подать 5 или 12 вольт: с правильно выставленным ограничением тока первое включение новой платы заканчивается надписью CC на экране, а не дымом. Разбираем по справочнику Agilent AN 90B и руководству Rigol DP800 режимы CV и CC, защиты, удалённую обратную связь, последовательное и параллельное включение каналов, пульсации и точность встроенных измерителей.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Лабораторный источник питания — регулируемый источник постоянного напряжения и тока с индикацией и защитами. В отличие от сетевого адаптера, у него задают не только напряжение, но и наибольший ток, а на экране видны фактические напряжение, ток и режим работы. Это главный инструмент первого включения: ограничение тока превращает замыкание на новой плате в безопасное состояние.

Коротко

Режимы
CV — напряжение, CC — ток, переход при Rc = U/I
Первое включение
ток чуть выше ожидаемого потребления
Линейный
0,25–5 мВ пульсаций, 20–200 мкс (AN 372-1)
Импульсный
5–20 мВ, 1–20 мс, но КПД 65–85 %
Sense
стабилизирует напряжение на нагрузке
Опасно
выше 60 В постоянного

Линейный и импульсный

В линейном источнике напряжение после трансформатора и выпрямителя регулирует проходной транзистор, на котором рассеивается вся разница напряжений. Поэтому он тяжёлый, с большим радиатором и низким КПД, но с малыми пульсациями и быстрым откликом на скачок нагрузки. Импульсный источник регулирует напряжение ключом на высокой частоте: он лёгкий и экономичный, но шумит сильнее и медленнее восстанавливается (Agilent AN 372-1).

Характеристика (типично)ЛинейныйИмпульсный
Нестабильность по нагрузке и сети0,005–0,1 %0,05–0,5 %
Восстановление после скачка нагрузки20–200 мкс1–20 мс
Пульсации и шум, ср. кв.0,25–5 мВ5–20 мВ
Пульсации и шум, от пика до пика1–15 мВ20–150 мВ
КПД30–50 %65–85 %

Таблица — типичные значения из AN 372-1 (табл. 1); конкретный прибор может быть лучше. Например, линейный Rigol DP832A по даташиту даёт пульсации меньше 350 мкВ ср. кв. и 2 мВ от пика до пика в полосе 20 Гц – 20 МГц и восстанавливается быстрее 50 мкс до 15 мВ после скачка тока от полной нагрузки до половины.

Режимы CV и CC

У источника задают два числа: напряжение Uуст и ток Iуст. Какое из них он поддерживает, решает нагрузка (AN 90B, Definitions):

  • CV (constant voltage) — ток нагрузки меньше заданного; на выходе заданное напряжение, ток определяется нагрузкой.
  • CC (constant current) — нагрузка хочет больше тока, чем задано; источник держит заданный ток и снижает напряжение.

Переход происходит автоматически при критическом сопротивлении нагрузки:

Rc=UустIустR_\text{c} = \frac{U_\text{уст}}{I_\text{уст}}

Если сопротивление нагрузки больше Rc, источник в режиме CV, если меньше — в CC. Rigol DP800 показывает режим на экране и называет промежуточное состояние UR.

Режимы CV и CC лабораторного источника: выходная характеристика и точка переходаГоризонтальный участок на уровне заданного напряжения — режим стабилизации напряжения, вертикальный при заданном токе — стабилизация тока; точка перехода при сопротивлении нагрузки Rc = Uуст / Iуст; две линии нагрузки: R больше Rc и R меньше Rc.UICV — стабилизация напряженияCCUустIустR > RcR < RcRc = Uуст / Iуст
Выходная характеристика источника CV/CC: горизонтальный участок — стабилизация напряжения, вертикальный — стабилизация тока; режим определяется сопротивлением нагрузки относительно Rc

Не у всех источников ток стабилизируется точно. AN 90B различает настоящий CV/CC и ограничение тока (CV/CL): в режиме ограничения регулирование менее точное, излом характеристики скруглён, поэтому точку ограничения ставят несколько выше наибольшего рабочего тока. В источниках с фиксированным напряжением встречается ограничение с обратным ходом (foldback): при перегрузке снижаются и ток, и напряжение («Ограничение тока с обратным ходом»).

Первое включение новой платы

Порядок по руководству DP800, дополненный практикой ограничения тока:

  1. Выход выключен. Подключите плату с соблюдением полярности — Rigol предупреждает, что перепутанная полярность может повредить и источник, и нагрузку.
  2. Задайте напряжение с запасом вниз, если не уверены в схеме: 3,3-вольтовую плату не стоит впервые включать от 5 В.
  3. Задайте ток немного выше ожидаемого потребления. Плате, которая должна брать 30 мА, хватит ограничения 50–100 мА.
  4. Включите выход и посмотрите на режим. CV и ожидаемый ток — нормально. CC сразу после включения — замыкание или неисправный компонент: выключите выход и ищите причину, не поднимая ток.
  5. Поднимайте ограничение ступенями по мере того, как включаются узлы платы: радиомодуль, двигатель, подсветка.

Защиты: OVP и OCP

OVP (overvoltage protection) выключает выход, если напряжение превысило порог; в простейшем виде это тиристорный «лом» — crowbar, закорачивающий выход («Crowbar», «Защита от перенапряжения»). OCP (overcurrent protection) выключает выход при превышении тока, тогда как режим CC продолжает работу с ограниченным током.

У DP832A порог OVP CH1 задаётся от 1 мВ до 33 В, OCP — от 1 мА до 3,3 А. Но точность срабатывания обеих защит — 0,5 % + 0,5 В и 0,5 % + 0,5 А. Наш вывод: для плат с потреблением в десятки миллиампер OCP почти ничего не защищает — ограничивает ток уставка CC, а OCP и OVP страхуют от грубых ошибок.

Точность установки и встроенный амперметр

Источник показывает ток, но его встроенный измеритель рассчитан на амперы. У DP832A на CH1 годовая погрешность измерения тока — 0,15 % + 5 мА, установки тока — 0,2 % + 5 мА, измерения напряжения — 0,05 % + 10 мВ.

Пример (наш расчёт). Плата потребляет 20 мА:

  • по экрану DP832A: ±(0,0015 · 20 мА + 5 мА) ≈ ±5,03 мА — четверть показания;
  • мультиметром Fluke 87V на пределе 60,00 мА: ±(0,002 · 20 + 4 · 0,01) = ±0,08 мА.

Ток потребления микроконтроллера и других маломощных схем меряют мультиметром в разрыв цепи, а не по экрану источника.

Удалённая обратная связь (Sense)

При больших токах падение на проводах между источником и нагрузкой уже нельзя не учитывать. Режим Sense регулирует напряжение не на клеммах источника, а прямо на выводах нагрузки: два слаботочных провода измерения подключают к нагрузке, и источник поднимает напряжение на выходе на величину падения в силовых проводах — до предела, указанного в его характеристиках (AN 90B; «Удалённая обратная связь»).

Удалённая обратная связь (Sense): силовые провода и отдельные провода измеренияИсточник соединён с нагрузкой двумя силовыми проводами с сопротивлением Rпр; два провода Sense подключены прямо к выводам нагрузки, по ним ток почти не идёт, и источник поднимает напряжение на выходе на величину падения в силовых проводах.ЛБПрежим Sense+S+S−−RпрRпрНагрузкапровода Sense: ток почти не идётсиловые провода: на Rпр падает I·Rпр
Режим Sense: силовые провода несут ток нагрузки, провода измерения подключены к её выводам и почти не несут тока

Пример (наш расчёт, сопротивление проводов условное): если у каждого из двух силовых проводов 25 мОм, при 5 А на них падает 2 · 5 А · 0,025 Ом = 0,25 В — плата на 3,3 В получит 3,05 В. В DP800 режим Sense есть у сильноточных каналов — CH2 у DP822/DP821 и у DP813/DP811. Rigol советует делать силовые провода как можно короче и скручивать их, а провода Sense вести отдельной витой парой, не скручивая вместе с силовыми.

Последовательное и параллельное включение

Последовательно соединяют каналы, чтобы получить большее напряжение, параллельно — больший ток. Условие одно: каналы должны быть изолированы друг от друга. У Rigol DP832 это CH1 с CH2 или CH3, но не CH2 с CH3. При последовательном включении у всех каналов выставляют одинаковые ток и OCP, и все должны работать в CV: если один уйдёт в CC, выходы остальных становятся непредсказуемыми (DP800 User Guide).

Agilent допускает последовательное включение до напряжения изоляции выхода относительно земли — обычно 300 В — и ставит на выходы диоды обратной полярности, чтобы при замыкании нагрузки или неодновременном включении на выходе не появилось обратное напряжение (AN 90B). Для симметричного питания ±U у DP832 есть функция Track: два канала меняют напряжение синхронно.

Пульсации, шум и измерение PARD

Agilent называет пульсации и шум источника PARD — периодическое и случайное отклонение — и нормирует их в полосе 20 Гц – 20 МГц в среднеквадратичном и размаховом значении; медленнее 20 Гц — это уже дрейф. Прибор с узкой полосой спрячет короткие выбросы, опасные для нагрузки («Пульсации выходного напряжения»).

Мерить пульсации осциллографом нужно аккуратно. Если и источник, и осциллограф соединены с защитной землёй, ток через эту петлю заземления создаёт на проводе щупа помеху сетевой частоты, которая бывает больше самих пульсаций. AN 90B советует разорвать петлю, не подключая выход источника к земле, вести сигнал витой парой или экранированным кабелем и проверить установку, замкнув щупы на клеммах источника: если «пульсации» не исчезли — это наводка. Землю осциллографа при этом не отключают.

Земля и плавающий выход

Выход лабораторного источника обычно не соединён с корпусом: клемма заземления на передней панели DP800 соединена с корпусом и защитным проводом сетевого шнура, и при необходимости к ней перемычкой подключают плюс или минус выхода. AN 90B требует одну точку соединения цепей питания с землёй: если источник используют как положительный, общим делают минус; в системе с несколькими заземлёнными нагрузками возникают петли.

Корпус прибора заземляется через защитный провод сетевого шнура: Rigol требует подключать его к розетке с защитным контактом до подключения нагрузки. Удлинитель без заземления лишает прибор этой защиты.

Частые ошибки

  • Ток «на максимум» при первом включении. Тогда ограничения нет: замыкание выжжет дорожку или стабилизатор.
  • OCP вместо CC. Порог OCP с точностью ± 0,5 А не защитит плату на 50 мА.
  • Ток потребления по экрану источника. Погрешность ± 5 мА — для миллиампер нужен мультиметр.
  • Соединение неизолированных каналов. Последовательно и параллельно Rigol разрешает включать только изолированные каналы — проверьте по руководству, какие это.
  • Тонкие длинные провода к сильноточной нагрузке без Sense: напряжение на плате меньше заданного.
  • Пульсации, измеренные через петлю заземления. На экране — наводка 50 Гц, а не источник.

Частые вопросы

Какое ограничение тока ставить при первом включении платы?

Немного выше тока, который плата должна потреблять, — Agilent рекомендует ставить точку ограничения несколько выше наибольшего рабочего тока. Если плата должна брать 30 мА, разумно начать с 50–100 мА: при замыкании источник уйдёт в режим CC и не отдаст больше. Если на экране сразу CC — ищите замыкание, а не повышайте ток.

Чем режим CC отличается от защиты OCP?

В режиме CC источник продолжает работать, удерживая ток на заданном уровне и снижая напряжение. OCP выключает выход, когда ток превысил порог. У Rigol DP800 точность срабатывания OCP — 0,5 % + 0,5 А, поэтому для слабых токов защищает именно уставка тока, а не OCP.

Линейный или импульсный лабораторный блок питания?

По типичным данным Agilent у линейных источников пульсации 0,25–5 мВ ср. кв. и восстановление после скачка нагрузки за 20–200 мкс, у импульсных — 5–20 мВ и 1–20 мс, зато КПД 65–85 % против 30–50 % и меньше вес. Для аналоговых и радиочастотных схем, малошумящих датчиков удобнее линейный; для больших мощностей — импульсный.

Можно ли заряжать аккумулятор от лабораторного блока питания?

Можно задать ток и напряжение заряда, но помните о двух вещах. Аккумулятор — сам источник: перепутанная полярность или включение, когда источник выключен, означают ток в выход источника, а проходной транзистор линейного источника обратный ток не проводит. И лабораторный источник не следит за температурой и окончанием заряда — для литиевых элементов нужен контроллер заряда.

Можно ли соединить два канала последовательно, чтобы получить 60 В?

Только изолированные друг от друга каналы: у Rigol DP832 — CH1 с CH2 или CH3, но не CH2 с CH3. Ток и OCP выставляют одинаковыми, оба канала должны работать в CV. И 60 В постоянного — уже опасное напряжение по Fluke: включайте выход только после подключения нагрузки.

Источники

  1. Agilent Technologies. DC Power Supply Handbook, Application Note 90B (5952-4020, 2000) — архивная копия на xdevs.com; Definitions: CV/CC — автоматический переход при критическом сопротивлении нагрузки Rc = Es/Is; CV/CL — ограничение тока, менее точное, чем стабилизация тока, точку ограничения ставят несколько выше наибольшего рабочего тока; foldback — при перегрузке снижаются и ток, и напряжение; crowbar — тиристор закорачивает выход при превышении заданного напряжения; PARD (бывшее «пульсации и шум») — в полосе 20 Гц – 20 МГц, ниже 20 Гц — дрейф, узкополосный прибор скрывает выбросы; remote sensing — регулирование напряжения на выводах нагрузки по двум слаботочным проводам, компенсация падения в силовых проводах до заданного предела; Grounding: в системе питания должна быть одна точка заземления, при использовании источника как положительного общий — минус; Reverse Current Loading: проходной транзистор не проводит обратный ток, ток от нагрузки заряжает выходной конденсатор, регулирование теряется, возможны повреждения — добавить балластный резистор; Series Operation: последовательно — до изоляции выхода, обычно 300 В относительно земли, на выходах диоды обратной полярности; PARD Measurement: петля через землю осциллографа даёт помеху 50/60 Гц, правильно — плавающий выход источника, витая пара или экранированный кабель, проверка закороченными щупами
  2. Agilent Technologies. Power Supply Testing, Application Note AN 372-1 (5952-4190, 2000) — архивная копия на xdevs.com; табл. 1, типичные характеристики: импульсные — нестабильность по нагрузке и сети 0,05–0,5 %, восстановление после скачка нагрузки 1–20 мс, PARD 5–20 мВ ср. кв. и 20–150 мВ от пика до пика, КПД 65–85 %; линейные — 0,005–0,1 %, 20–200 мкс, 0,25–5 мВ ср. кв. и 1–15 мВ от пика до пика, КПД 30–50 %; линейные дают малые пульсации и быстрое восстановление, но тяжёлые и с низким КПД
  3. RIGOL. DP800 Series Programmable Linear DC Power Supply, Datasheet — DP832A: 30 В/3 А, 30 В/3 А, 5 В/3 А, до 195 Вт; DP821A: 60 В/1 А и 8 В/10 А; OVP/OCP CH1 DP832A — 1 мВ…33 В, 1 мА…3,3 А; нестабильность по нагрузке и сети по напряжению < 0,01 % + 2 мВ; пульсации и шум (20 Гц – 20 МГц) < 350 мкВ ср. кв. / 2 мВ от пика до пика (DP832A и др.), по току < 2 мА ср. кв.; годовая точность DP832A CH1: установка 0,05 % + 20 мВ и 0,2 % + 5 мА, измерение 0,05 % + 10 мВ и 0,15 % + 5 мА; восстановление менее 50 мкс до 15 мВ при скачке тока от полной нагрузки до половины; точность OVP/OCP 0,5 % + 0,5 В / 0,5 % + 0,5 А; часть каналов изолирована
  4. RIGOL. DP800 Series Programmable Linear DC Power Supply, User Guide (UGH04111-1110, 2022) — прибор заземляется через защитный провод сетевого шнура; клемма заземления на передней панели соединена с корпусом и землёй сетевого шнура; режимы CV, CC и пограничный UR, автоматический переход CV → CC при токе нагрузки выше заданного; порядок: подключить нагрузку с соблюдением полярности, задать напряжение, ток, OCP, затем включить выход — включать выход после подключения нагрузки; последовательно и параллельно — только изолированные каналы (у DP832 CH1 с CH2 или CH3, но не CH2 с CH3); при последовательном включении одинаковые ток и OCP, все каналы в CV; режим Sense у CH2 DP822/DP821 и у DP813/DP811 — регулирование по напряжению на нагрузке, силовые провода короткие и скрученные, провода Sense — отдельной витой парой; функция Track — симметричное питание
  5. Fluke. 114, 115 and 117 True-rms Multimeters, Users Manual (PN 2572573, Rev. 1, 2/07) — напряжения выше 30 В переменного действующего, 42 В пиковых или 60 В постоянного опасны поражением током
  6. Fluke. Fluke 83V and 87V Digital Multimeters, Detailed Specifications (2161164 D-US-N Rev B, 4/2005) — постоянный ток 87V на пределе 60,00 мА: разрешение 0,01 мА, погрешность ± (0,2 % + 4)

Нашли ошибку?

Смотрите также