Vzhledem k potřebám kluků v zájmovém kroužku na zajištění napájení výrobků a vyvíjených zařízení různými napětími, jsem se rozhodl navrhnout řešení stabilizovaného zdroje pro jejich potřeby. Na poli zdrojů se již toho napsalo poměrně hodně, konstrukce jsou různě povedené či nepovedené, takže jsem si nejdříve prošel různá obvodová řešení, která již byla publikována a sestavil tento stabilizovaný zdroj s nastavitelným proudovým omezením. Základními požadavky byly, aby zdroj měl plynulou regulaci napětí od 0V do alespoň 25V, nastavitelné proudové omezení od min. 50mA do cca 1.5A, dále pak spolehlivost a opakovatelnost výroby s co nejnižšími náklady.

Po prostudování různých zapojení, jsem se rozhodl jako základ použít konstrukci školního zdroje TESLA BK127, která byla přepracována na požadované hodnoty výstupních napětí a proudů. Původní zdroj byl postaven se zaměřením na potřeby škol jako levný, spolehlivý a bezpečný přístroj. Málo kdo si uvědomí, že tento zdroj je ve své podstatě třetí generací stabilizovaného zdoje počínaje známým dvojitým zdrojem BS525, přes BS554 až po onu BK127. Poněvadž jsem měl tu čest všechny tyto zdroje opravovat, neunikla mé pozornosti jejich principiální podobnost, která vychází ze stejné koncepce a ve své podstatě se liší pouze použitými součástkami dle jejich dostupnosti v době jejich vzniku. Konstrukce zdroje BK127 byla publikována v [1], kde byly představeny i další zažízení pro školy (zdroje BK125, BK126, generátor BK124 a logická sonda BK121). Dále tuto konstrukci oprášil Ing. Petr ZEMAN pod názvem KAZ ve verzi s digitálním i analogovým měřidlem, popsaných ve [2] a [3]. Dále pak zdroj KAZ upravil Josef MACH ve [4] jako KAZ 2 s přepínáním odboček transformátoru, dvěmi digitálními měřidly a rozsahem 0-40V / 0-2A. Princip je poměrně dobře popsán ve všech výše zmiňovaných článcích, takže bych se jen opakoval, a proto se budu věnovat pouze změnám proti původnímu zapojení v [1] a volbě některých komponent.

Pro potřeby zdroje jsem použil transformátor ZVS Dubnica 9WN86119, který má dvě sekundární vinutí, jedno 30V / 1,8A a druhé 14V / 0,1A. Tento transformátor má hned několik výhod, zapvé má dvě sekundární vinutí a zadruhé se jedná o bezpečnostní transformátor s odděleným primárním a sekundárním vinutím. Z tohoto transformátoru pak vycházely všechny další předpoklady na rozsahy a použité součástky. Rozsahy byly nakonec stanoveny pro napětí 0-30V a pro proud 0-1,8A, což v běžné praxi bohatě stačí pro většinu konstrukcí.

Dalším důležitým prvkem ve zdroji je výkonový tranzistor. V původní konstrukci byl použit tranzistor KD606, který měl tyto základní parametry - U_CEO≤60V, I_C≤10A, P_tot≤70W a proudový zesilovací činitel v rozmezí od 10-30. Původní zdroj však byl navržen pro rozsah 0-20V a 0-1A, a jeho transformátor dodával napětí 30V a 12V AC naprázdno a při zatížení 1A, tyto napětí poklesly na 27V a 11V AC. Z tohoto vyplývá, že maximální možný ztrátový výkon na koncovém tranzistoru se pohyboval kolem 37W. Jelikož v našem případě budeme uvažovat proud 1,8A a napětí po filtraci v zatíženém stavu je u námi zvoleného transformátoru 37V, musíme uvažovat maximální možný ztrátový výkon na koncovém tranzistoru přibližně 67W. Tento výkonový tranzistor by již neměl dostatečnou výkonovou rezervu a proto bylo potřeba zvolit jiný vhodný typ. Dlaším problémem je přenos tepelného výkonu z tranzistoru na chladič. Z tohoto důvodu jsem zvolil pouzdra TO-3 nebo TO-247 která mají dostatečnou plochu pro předání tepelného výkonu. V konečném prototypu, který jsem při testování podrobil zátěžovým zkouškám, jsem však zjistil, že pouzdro TO-247 se nehodí pro dlouhodobý přenos tepelného výkonu nad 50W. Tento nedokonalý přenos tepla se projevoval nadměrným oteplením křídla tranzistoru, kdy při teplotě okolí 22°C, měl chladič teplotu cca 37°C a křídlo výkonového tranzistoru mělo teplotu 120°C. Původně jsem myslel, že je tranzistor špatně upevněn, ale po dalším zkoumání jsem tuto variantu vyloučil. Při vyhledávání vhodných tranzistorů v jiném pozdře než TO-3, jsem mimo jiné, objevil tranzitor 2SC5200 od firmy TOSHIBA, který je zapouzdřen v pouzdře 2-21F1A. Při srovnání pouzder TO247 a 2-21F1A je patrné, že přechodová plocha TO247 tvoří 3/5 plochy 2-21F1A. Tento nezanedbatelný rozdíl pak vedl k poklesu teploty kolektorového vývou ze 120°C na "pouhých" 80°C, při maximálním zatížení a teplota chladiče vzrostla přibližně na 46°C.

Obr. 1. Srovnání pouzdra 2-21F1A a TO-247

Co do parametrů jsou vhodnými typy například tranzistory 2N3055, KD3055, KD502, KD503, MJ15003, KD3773, KD4348, KD3442 nebo již zmíněný 2SC5200. Jen bych chtěl z vlastní zkušenosti upozornit, že není tranzistor jako tranzistor a pro podporu svého tvrzení přikládám fotografii stejného typu tranzistoru - jeden 2N3055 a druhý KD3055 (což je ekvivalent). Na obrázku je vidět rozdíl ve velikosti čipu i průřezu vodičů, kde u tranzistoru 2N3055 (pravděpodobně padělek) nastala tepelná destrukce vzhledem k nedostatečné velikosti přechodové plochy čip-pouzdro.

Obr. 2. a 3. - porovnání tranzistorů 2N3055 a KD3055 parametry 2N3055 UCE-100V, IC-15A, Ptot-115W parametry KD3055 UCE-100V, IC-15A, Ptot-117W

Další změnou, kterou jsem oproti původnímu zdroji provedl, byla úprava koncepce bočníku. Protože je tento bočník použit pro měření hodnoty výstupního proudu, bylo mou snahou zvolit odpor s co největší přesností a co nejmenším teplotním koeficientem, nicméně bylo také potřeba vycházet z požadované výkonové ztráty. Z důvodu, že je konstrukce směřována pro mladé elektroniky, byl dán důraz na cenu, kdy nebylo reálné uvažovat o přesných odporech pro bočníky v cenové hladině nad 100 Kč, a tak jsem se rozhodl sestavit jej z běžných odporů. Bočník jsem uvažoval do 2A a při hodnotě bočníku 1Ω, bylo nutné použít bočník s celkovou výkonovou ztrátou alespoň 5W. Další faktor, který přicházel do úvahy, byl teplotní koeficient odporu. Volbou co nejmenšího teplotního koeficientu, je dána i stabilita při vyšších proudových odběrech, kdy přesnost měřeného údaje začíná ovlivňovat teplota bočníku. Protože běžné drátové odpory mají tepelný součinitel kolem 350-450 ppm/°C, metalizované mezi 15-300 ppm/°C, rozhodl jsem se pro metalizované odpory. Pro bočník jsem vybral odpor ROYAL OHM MF02SFF100JA10, který s hodnotou 10Ω, tolerancí 1%, tepleným součinitelem 50 ppm/°C, ztrátovým výkonem 2W a cenou kolem 2 Kč/ks, měl nejlepší poměr cena/parametry. Z deseti kusů těchto odporů zapojených paralelně, jsem sestavil poměrně přesný a tepelně stabilní bočník 1Ω s maximálním ztrátovým výkonem 20W. Další dostupnou alternativou se jevil odpor 1Ω 30W v pouzdře TO220, teplotním koeficientem 100 ppm/°C a cenou kolem 70,- Kč.  Nicméně nevýhodou tohoto odporu je více než 3x vyšší cena, 2x horší teplotní koeficient a i fakt, že je nutné jej umístit na vhodný chladič. Proto padla volba na výše zmíněné odpory RoyalOhm, které díky velké ploše chladič nepotřebují a mají při výrazně nižší ceně lepší parametry. Než přistoupím k popisu dalších změn, uvedu finální schéma zdroje.

Obr. 4. - Schéma zdroje 0-30V, 0-1.8A

Jednou z dalších změn bylo přepojení rezistoru R4 na společný potenciál MAA723, kdy byl tento odpor původně připojen přímo na emitor koncového tranzistoru T. Problém však nastal při použití digitálních panelových měřidel, kdy příčný proud tekoucí z pomocného zdroje, přes odpor R1, tranzistor T1 a odpor R4, způsoboval indikaci proudu 5-7mA i při nulovém odběru. V původní konstrukci tento nepříjemný jev nenastával, protože bylo použito ručkové měřidlo, které na takto malý proud ještě nereagovalo. Odkloněním tohoto příčného proudu mimo měřící bočník, došlo k eliminaci tohoto proudu. Nutno však podotknout, že při použití digitálních měřidel bude zdroj vykazovat při nulovém proudu hodnotu cca 2mA a to proto, že se zde sčítají příčné proudy děličů R6, R16 (1,5mA) a R13, R19 (0,5mA), které nelze z principu zapojení zdroje již eliminovat. 

Abych pomohl případným zájemcům o adaptaci zdroje na jiná napětí a proudy, uvedu princip přepočtu součástek pro jednotlivé větve.

Pro výpočet napěťové regulační smyčky jsou důležité děliče R7,R8 a R6,R16, které by měly být shodné. Při volbě dělícího poměru by se mělo napětí na odporu R8 pohybovat v rozmezí 2,5 až 4V. Určení napětí je poměrně jednoduché a vychází z výpočtu v tabulce výše, pro přesné nastavení se pak použije trimr R14, kterým se upraví celková hodnota napětí v závislosti na hodnotách děličů, pro naše zapojení to dělá 2,86V (ΔU=R_U*0,13 [V,kΩ,-], konstanta 0,13 platí pouze pro dělič 2k7/2k2). Výpočet proudové větve je také uveden v tabulce, kdy hodnota výstupního proudu je přímo úměrná napětí na potenciometru R_I. Minimální hodnota proudu se nastavuje trimrem R23, nedoporučuji nastavovat minimální hodnotu proudu pod hranici 15 - 20 mA. Hodnota maximálního proudu se nastavuje trimrem R15, v tomto konkrétním zapojení je možné regulovat v rozsahu cca 240mA. Důležité upozornění pro odběr proudu z referenčního zdroje MAA723, nesmí přesáhnout 15mA. Z hlediska teplotní stability je lepší volit proudy děličů tak, aby se jejcih součet pohyboval pod polovinou maximálního povoleného proudu (v našem případě je to pod hranicí 3,5mA).

Obr. 5. - Předloha plošného spoje

Obr. 6. - Osazovací plán

Tento zdroj jako takový spolehlivě funguje na první zapojení, jeho seřízení je otázkou cca 5ti minut. Opakovatelnost zapojení byla ověřena opět v kroužku mladých elektroniků, kde se těchto  zdrojů vyrobilo 8 kusů, bez nutnosti zasahovat do konstrukce, či jej složitě oživovat. Zdroje byly osazeny dvojitým digitálním panelovým měřidlem s MHB7106, jehož konstrukce byla zveřejněna na těchto stránkách jako 3 1/2 místné panelové měřidlo 71x6. Dále byl zdroj doplněn aktivním chladičem s regulací otáček ventilátoru, spolu s pomocnými zdroji panelových měřidel byla konstrukce publikována jako Regulátor otáček ventilátoru a pomocný zdroj 2x9V. Obě konstrukce byly použity ve všech osmi zdrojích a pokud byly správně sestaveny, fungovaly opět na první pokus. Finální provedení zdroje pak může vypadat následovně:

 Pro potřeby stavby dlsších kusů jsem si nechal vyrobit desky profesionálně s nepájivou maskou a servisním potiskem. Využil jsem toho, že cena za jednostranný a oboustranný spoje je stejná, a na stranu součástek jsem ještě přidal všechny silové spoje, aby se zvětšil průřez vodičů silové cesty pro vedení proudu. Pro zvětšení plochy je možné také použít stranu spojů, kde jsou silové cesty provedeny tak, že nejsou kryty nepájivou maskou a jsou pocínovány. V případě potřeby je možné na ně nanést silnou vrstvu cínu, nebo připájet pomocný vodič. Výsledné desky vypadají následně:

Profesionálně vrobené plošné spoje, nahoře výstup z gerberview a dole hotové spoje

Použité odkazy (platné k 5.11.2016):

Návod ke zdroji BK127 http://wrack.ped.muni.cz/datasheet/soubory/BK127.pdf
Návod ke zdroji BK127C (exportní verze Německo a později i pro Voltcraft)
http://blog.3b2.sk/igi/file.axd?file=2015%2f7%2ftesla-bk127c-pwr-supply-deutsch.pdf

Použitá literatura:

[1] Amatérské Rádio, Řada B, 1/1985, http://blog.3b2.sk/igi/file.axd?file=2015%2f7%2fZdroj-BK127.pdf
[2] Amatérské Rádio, Řada A, 1/1991, Magnet - Press, s.p. Praha
[3] Amatérské Rádio, Řada A, 2/1991, Magnet - Press, s.p. Praha
[4] Praktická elektronika A Radio, 8/2002, AMARO s.r.o. Praha