Источник питания с переключаемой полярностью

Для игрушечной железной дороги, изготовленной в ГДР более 50 лет назад, вместо тяжёлого блока питания с регулируемым трансформатором и селеновым выпрямителем было решено изготовить блок питания на современной элементной базе.

Для того чтобы поезд игрушечной железной дороги мог двигаться и вперед, и назад с регулируемой скоростью, необходим источник питания постоянного тока с напряжением от 0 до 15 В и изменяемой полярностью.

1,25 В за счёт встроенного делителя напряжения, состоящего из подстроечного резистора 10 кОм (верхнее плечо) и постоянного 330 Ом (нижнее плечо). В предлагаемом источнике питания параллельно встроенному делителю подключены часть резистора R2 и резистор R1. В результате выходное напряжение А2 регулируется переменным резистором R2 следующим образом.


При среднем положении движка переменного резистора R2 выходное напряжение модуля А2 равно 1,25 В. при котором электродвигатель игрушечного локомотива не работает При вращении ручки резистора R2 от среднего положения по часовой стрелке (вверх по схеме) ток через часть этого резистора будет протекать от средней точки к движку. Между крайними выводами резистора напряжение будет меняться от 0 до 15 В, его плюс поступит на инвертирующий вход операционного усилителя DA1.1. минус — на неинвертирующий. На выходе ОУ будет напряжение, близкое к нулю, транзистор VT1 закрыт, ток через обмотку реле К1 не протекает, его контакты находятся в показанном на рис 1 положении. Полярность выходного напряжения соответствует указанной на схеме, локомотив движется в прямом направлении, его скорость тем больше, чем правее (выше по схеме) повёрнута ручка переменного резистора R2.

При вращении ручки резистора R2 от среднего положения против часовой стрелки (вниз по схеме) полярность напряжения на крайних выводах резистора изменится на противоположную, его плюс поступит на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1.1, минус — на инвертирующий. На выходе ОУ будет напряжение, близкое к плюсу источника питания, транзистор VT1 откроется. ток через обмотку реле К1 переключит его контакты. Игрушечный локомотив начнёт двигаться в обратном направлении. его скорость будет тем больше, чем левее (ниже по схеме) повернута ручка переменного резистора R2.

Резисторы R3 и R4 обеспечивают гистерезис по переключению реле около 0,25 В, что исключает его многократное срабатывание вблизи минимального выходного напряжения.

На рис. 2 приведена зависимость выходного напряжения источника питания от угла поворота ручки резистора R2 при малых углах поворота относительно средней точки Переключение полярности при повороте ручки происходит, когда выходное напряжение преобразователя А2 проходит через минимум 1.25 В и повышается на величину гистерезиса до 1.5 В.


Обычно обмотку реле шунтируют диодом для исключения выбросов напряжения при выключении тока через неё При управлении реле эмиттерным повторителем такой диод не требуется, его роль выполняют последовательно включённые эмиттерный переход транзистора VT 1 и встроенный диод между минусом питания и выходом операционного усилителя

В устройстве использованы резисторы МТ и МЛТ (RI. R3, R4). импортный конденсатор для поверхностного монтажа. реле РЭС48Б исполнения РС4.590.201 с сопротивлением обмотки 600 Ом. Операционный усилитель может быть и другим, но должен допускать напряжение между входами до ±30 В, подойдут все. у которых входные каскады выполнены на транзисторах структуры р-п-р, а также rail-to-rail ОУ с напряжением питания до 30 В Транзистор VT 1 — практически любой маломощный структуры п-р-п с допустимым напряжением коллектор—эмиттер не менее 30 В Реле — любое с рабочим напряжением 24...27 В и двумя группами контактов на переключение.

Все мелкие детали, кроме резистора R1, смонтированы на печатной плате размерами 10.5x20,5 мм, приобретенной в том же интернет-магазине На плате выполнены на расстоянии 7,62 мм друг от друга два ряда по восемь металлизированных отверстий с шагом 2,54 мм и пара контактов для подпайки элементов, предназначенных для поверхностного монтажа.
Подстроечный резистор в преобразователе DC/DC А2 необходимо установить в положение максимального сопротивления (максимального выходного напряжения), можно его вообще выпаять из платы. Контакт "Подстройка" находится под регулировочным винтом этого резистора.

Можно использовать переменный резистор с отводом от средней точки и с линейной зависимостью СП5-21 или движковый СПЗ-23г, однако автор не смог приобрести такой резистор. Отвод удалось ввести в проволочный резистор ПГ1Б-25. в нём обмотка защищена тканью, пропитанной краской. Ткань в середине обмотки, рядом с основанием, была срезана острым лезвием, обмотка зачищена на площади примерно 3x3 мм. На конце отрезка провода МГШВ-0,2 была сформирована капля припоя и прижата к зачищенному месту хомутиком Подобная доработка возможна для резисторов ППБЕ, СП5-30, РП-25, РП-80 и некоторых других.

Переменный резистор R2 может иметь сопротивление от 1 до 7.5 кОм и другую мощность, но при его подборе следует иметь в виду, что чем меньше его мощность (и габариты) и больше сопротивление, тем тоньше провод обмотки и тем проще его испортить при зачистке. Также, если использовать резистор с сопротивлением, меньшим 1 кОм. заметно увеличатся потери мощности на нем. Если сопротивление этого резистора превышает 2,2 кОм, подстроечный резистор в преобразователе А2 необходимо выпаять из платы. Если отвод в переменном резисторе R2 сделать не от середины, можно получить такое интересное свойство — максимальная скорость игрушечного локомотива при движении назад будет меньше скорости движения вперед.

Для регулирования напряжения в пределах 1,25...15 В резистор R1 вместе с параллельно включённым встроенным в А2 резистором (нижним плечом делителя) 330 Ом должен иметь сопротивление примерно в 11...12 раз меньше половины сопротивления R2 С параллельно подключённым резистором 10 кОм (верхним плечом делителя в А2, если он не выпаян).

Источник собран в корпусе от заменяемого блока питания, габариты, естественно, сохранились, но масса его уменьшилась в четыре раза — с 2,4 кг до 600 г.