Создание дешёвого и мощного регулируемого источника постоянного тока для инженеров и радиолюбителей

Актуальность

Использование недорогих и удобных лабораторных блоков питания в разных целях, например, в радиолюбительстве, ремонте бытовых приборов, для демонстрации физических опытов в школе.

Также актуальность подтверждается статистикой цен на лабораторные блоки питания в России: на данный момент цены на самые маломощные устройства (30 Вт) начинаются с 1700 руб., по данным сайта Яндекс Маркет. Разработанное нами устройство может выдавать 150 Вт мощности при себестоимости в 1300 руб. Следовательно, можно занять нишу дешёвых и мощных блоков питания.

Цель

Разработка регулируемого блока питания для использования при создании электронных схем, а также диагностики неисправностей при ремонте бытовых приборов.

Задачи

1. Анализ рынка и существующих решений, а также их характеристик и цен.
2. Изучение материальной части лабораторных блоков питания.
3. Разработка технического задания.
4. Подбор необходимых компонентов для изготовления устройства согласно техническому заданию.
5. Разработка схемы соединения компонентов между собой исходя из спецификации каждого компонента.
6. Разработка специального корпуса под 3D-печать.
7. Печать корпуса на 3D-принтере.
8. Сборка готового устройства по схеме из 5-го пункта в корпусе из 7-го пункта.
9. Тестирование готового устройства.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер с установленным Autodesk Inventor
• Tермореле KSD
• Блок питания XK-2412-24 и понижающий преобразователь XL4016
• Два вентилятора
• Паяльник
• Шуруповёрт со свёрлами, отвёртки
• 3D-принтер

Описание

1 этап. Создание принципиальной схемы

Целью работы являлось создание простого, дешёвого и при этом надёжного и мощного лабораторного блока питания.

Для начала нужно было определиться, какие детали и модули необходимы для создания устройства. Лабораторный блок питания имел на выходе постоянное напряжение, именно такое обычно необходимо для питания большинства электронных схем.

Рассмотрели очень упрощённую схему лабораторного блока питания (рисунок слева).

Ни для кого не секрет, что в домашних розетках используется 220В переменного напряжения, соответственно нужно как-то преобразовывать это напряжение из переменного в постоянное, а также понижать его, а затем регулировать. После преобразования напряжения сети в 24В(DC) необходимо было непосредственно отрегулировать это напряжение до нужных пользователю характеристик, а затем снять это напряжение с выходных клемм.

У человека, который разбирается в электронике, может возникнуть вопрос, почему мы разбивали эту схему на несколько отдельных, а не хотели сделать всё на 1 плате?

Ответ очень прост: дешевизна и надёжность.

Гораздо дешевле, качественнее и надёжнее брать собранные на заводах платы блоков питания и понижающих преобразователей, чем изобретать велосипед и заново разрабатывать схемы, которые были придуманы 40 лет назад. Нашей задачей было объединить эти схемы в общее устройство максимально эффективно и надёжно, сделав конструкцию, с которой будет безопасно и удобно работать.

2 этап. Подбор компонентов

Начали с выбора блока питания. С этой целью обратились в интернет-магазин Аliexpress, так как там можно найти хорошие электронные компоненты по очень низкой цене (и закупать их оптом).

Пролистав множество объявлений, остановили свой выбор на блоке питания XK-2412-24. Этот блок питания обладает следующими характеристиками:

• выходная мощность – 10Вт;
• выходное напряжение – 24В;
• выходной ток – 5A;
• защита от короткого замыкания;
• защита от перегрева;
• длина x ширина x высота: 106 мм x 57 мм x 45 мм.

Этот блок питания хорош тем, что при довольно высокой мощности на выходе плата обладает малыми габаритами, а также имеет защиту от короткого замыкания, следовательно, если устроить короткое замыкание при использовании прибора, то блок питания не сгорит, а просто уйдёт в защиту, отключив питание.

Затем подобрали понижающий преобразователь. Опять же на Аliexpress (по вышеуказанным причинам). И на этот раз наш выбор – XL4016. Эта плата обладает следующими характеристиками:

• мощность – 300Вт;
• максимальный выходной ток – 9А;
• диапазон напряжений – от 1,2В до 90% от входного напряжения;
• регулируемое ограничение по току.

Эта схема идеально подошла, потому что при стоимости 250 рублей имеет мощность в 3 раза большую, чем блок питания, следовательно, меньше греется при работе, а также имеет ограничение по выходному току, что расширяет функционал блока питания.

Основные компоненты лабораторного блока питания были подобраны, но для создания полноценного устройства этого недостаточно.

Во-первых, чтобы следить за тем, какое напряжение и какой ток мы выдаём, необходим модуль вольтамперметра, который мы вмонтируем в корпус, также нужны более удобные в отличие от штатно установленных органы управления понижающим преобразователем.

Во-вторых, нужны клеммы для шнура 220В, выходные клеммы и выключатель.

Подобрали вольтамперметр. Фактически все модули вольтамперметров примерно одинаковы, но мы остановили свой выбор на наиболее точном из всех, он имеет погрешность только в сотых долях вольт, а также подсвечивает напряжение красным цветом, а ток – синим, это красиво и удобно.

Разъём для кабеля 220В брали стандартный для большинства блоков питания – C8.

Провод и гнездо подобрали соответствующие. Выключатель возьмём от старого удлинителя.

Схему подключения проводов взяли из описаний к каждой из плат, единственный тонкий момент: необходимо было перепаять штатные переменные резисторы на преобразователе на более удобные.

3 этап. Сборка первого прототипа и его тестирование

По вышеуказанной схеме собрали первый прототип своего устройства. В качестве корпуса использовали первую попавшуюся на глаза пластиковую коробку; в качестве соединительных проводов – первые попавшиеся провода, совершенно не думая об их сопротивлении, максимальном токе, который можно через них пропускать.

Важно было проверить, что вышеописанная схема действительно работает.

Результаты тестирования и выявление недостатков

Как показали испытания, схема действительно работает, но есть один большой недостаток, который необходимо устранить. Этот недостаток – перегрев. При работе на больших токах блок питания и преобразователь нагреваются, и их необходимо охлаждать, но пассивного охлаждения, представленного в виде радиаторов, недостаточно. Соответственно, нужно добавить в схему вентиляторы и датчик температуры, а также разработать новый корпус, который будет продуваться.

4 этап. Доработка схемы и создание нового корпуса

Новый корпус разрабатывали в программе Autodesk Inventor, полученную 3D- модель распечатали на 3D-принтере.

В качестве активного охлаждения использовали 2 вентилятора на 24В с габаритами 40 мм x 40 мм x 10 мм, а в качестве датчика температуры – термореле KSD 9700(NO) с температурой срабатывания 45 °С.

5 этап. Печать корпуса

Распечатали созданную в 4 пункте 3D-модель корпуса на 3D-принтере.

В качестве слайсера (программы, которая переводит 3D-модель в движения двигателей принтера) использовали общеизвестную программу Cura.

Для увеличения прочности конструкции печать производили 100%-м заполнением.

6 этап. Финальная сборка

Собрали устройство по вышеуказанной схеме. В качестве соединительных силовых проводов использовали медный сетевой провод сечением 2 мм². Силовые провода показаны на схеме толстыми линиями. Остальные соединения производили тонким проводом от аудиокабеля.

Результаты работы/выводы

Результатом работы является готовое и востребованное на рынке устройство, которое дешевле и мощнее аналогов, а также имеет меньшие габариты. Лабораторный блок питания имеет выходное напряжение от 1,2 до 20 вольт, также присутствует возможность ограничения тока.

В случае короткого замыкания предусмотрена защита: блок питания перестаёт подавать ток на выходные клеммы. Присутствует защита от перегрева: когда достигается критическая для устройства температура, блок отключается.

Источник может выполнять разнообразные задачи по питанию электронных схем, зарядке автомобильных аккумуляторов, диагностике неисправностей в бытовых приборах. Для этого выходные провода сделаны съёмными и заменяемыми.

Все задачи проекта, поставленные в самом начале, выполнены.

1. Проведён анализ рынка, выявлены недостатки существующих решений.
2. Спроектирована принципиальная схема блока питания.
3. Разработан и распечатан корпус.
4. Произведены сборка и тесты готового устройства.

Результатом проекта является готовый, востребованный и конкурентоспособный продукт.

Перспективы использования результатов работы

Можно наладить производство таких блоков питания для последующей продажи как в частные руки, так и в образовательные и научные учреждения, где имеется необходимость в подобных устройствах.

Награды/достижения

1. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – призёр;
2. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – призёр