Laboratorní zdroj patří k nejčastěji používaným elektronickým zařízením. Používá se při oživování, nastavování a měření většiny elektronických obvodů.

Parametry by se měly blížit ideálnímu zdroji napětí, to znamená, že výstupní napětí by mělo být stabilní bez ohledu na odebíraný proud a bez střídavé složky způsobené nedostatečnou filtrací nebo šumem.

V nabídce prodejců se setkáme s různými typy laboratorních zdrojů. Jejich parametrům také odpovídají ceny, které se pohybují v řádu tisíců korun.

Příklady provedení

Parametry

1. Regulované stejnosměrné výstupní napětí se zpravidla pohybuje v rozsahu od nuly do 15 až 40 V. Dražší laboratorní zdroje obsahují více navzájem nezávislých zdrojů pevného a proměnného napětí.
2. Omezení maximálního výstupního proudu je velmi důležité pro ochranu připojených zařízení. Bývá nastavitelné od několika mA do jmenovité hodnoty.
3. Měření výstupního napětí a proudu bývá realizováno klasickými analogovými (ručkovými) měřícími přístroji nebo digitálními. V případě digitálních je třeba počítat se samostatným zdrojem pro jejich napájení. Pokud laboratorní zdroj obsahuje jen jedno měřidlo, je opatřen přepínačem pro měření napětí nebo proudu.
4. Dále laboratorní zdroj obsahuje síťový vypínač, pojistku, světelnou indikaci zapnutého stavu i přetížení a výstupní svorky. Někdy má samostatné vypínače pro jednotlivé zdroje.

Způsoby řešení

Pomineme-li spínané zdroje, jejichž cena je vyšší a konstrukční řešení výrazně složitější setkáváme se většinou s použitím speciálních integrovaných obvodů, určených pro stabilizátory napětí, doplněných pomocnými obvody. Čím vyšší výstupní napětí a proud laboratorní zdroje poskytují, tím jsou rozměrnější, těžší, mají vyšší příkon a jsou dražší. Totéž samozřejmě platí i o kombinovaných laboratorních zdrojích, které obsahují více samostatných zdrojů.

Blokové schéma

Transformátor

Úkolem síťového transformátoru je snížit síťové napětí 230 V na požadovanou hodnotu a bezpečně (galvanicky) jej oddělit.
Síťový transformátor výrazným způsobem ovlivňuje vlastnosti laboratorního zdroje. Výrobce zpravidla uvádí jmenovité sekundární napětí (napětí při maximálním proudu) a napětí naprázdno (bez zatížení). Čím menší je mezi nimi rozdíl, tím je transformátor kvalitnější (tvrdší).

Usměrňovač

Usměrňovač převádí (usměrňuje) střídavé sekundární napětí transformátoru na stejnosměrné a filtrační kondenzátor jej vyhlazuje.
K usměrnění střídavého proudu je možné využít buď samostatných diod, nebo můstkového usměrňovače.

Filtr

Na výstupu usměrňovače je zapojen elektrolytický kondenzátor, jehož úkolem je filtrovat napětí z usměrňovače. Napětí na kondenzátoru se výrazně mění v závislosti na odebíraném proudu. Bez zátěže může dosáhnout až maximální hodnoty sekundárního napětí transformátoru.
Stejnosměrné napětí, připojené na kondenzátor, musí dodržet polaritu, vyznačenou na pouzdře kondenzátoru. Při přepólování nebo překročení maximálního napětí hrozí zničení kondenzátoru!

Stabilizátor

Úkolem stabilizátoru je udržovat nastavené výstupní napětí bez ohledu na kolísání výstupního proudu i vstupního napětí. Další funkcí je filtrace napětí a ochrana proti zkratu na výstupu (proudové omezení). Zpravidla se využívá rozdílového zesilovače, který má na jeden ze vstupů připojeno referenční (stabilizované) napětí a na druhý se přivádí výstupní napětí. Regulační odchylka je zesílena a slouží k řízení výkonového tranzistoru, který vyrovnává změny výstupního napětí. Nejjednodušší je použít integrované obvody, které zpravidla obsahují všechny potřebné součásti. V laboratorních zdrojích je však třeba regulovat výstupní napětí i proud ve velkém rozsahu, proto nelze využít základního doporučeného zapojení, ale je třeba doplnit jej o další součástky.

Hlavním problémem je to, že integrované stabilizátory napětí neumožňují regulovat výstupní napětí od nuly. Proto se setkáme s různými zapojeními, které tento nedostatek odstraňují.
Nejčastějším řešením je pomocný zdroj záporného napětí tvořený zdvojovačem napětí s filtrem a stabilizátorem. Potom je možné použít standardně dodávaných síťových transformátorů s jedním sekundárním napětím. Pomocné záporné napětí se napětí připočítává k výstupnímu a jeho případná nestabilita se projevuje také na výstupním napětí zdroje.

V některých zapojeních je použita stabilizace s LED diodou, jejíž napětí je značně závislé na teplotě. Zapojení se zenerovou diodou vykazuje lepší výsledky. Integrovaný obvod 79L05 pak nejlepší stabilitu záporného a tím výstupního napětí.

Zdroj referenčního napětí

Stabilita výstupního napětí závisí na kvalitě zdroje referenčního napětí. U integrovaných stabilizátorů je zdroj součástí integrovaného obvodu. U zapojení s operačními zesilovači a diskrétními součástkami se používá zenerových diod nebo napěťových referencí (speciální integrované obvody), které vykazují lepší parametry. Při použití zenerovy diody je třeba vzít v úvahu, že nejlepší teplotní stabilitu mají diody s napětím 6 V.

Proudové omezení

Nezbytnou funkcí laboratorních zdrojů je ochrana proti přetížení a zkratu na výstupu, která zabraňuje jak poškození samotného zdroje, tak připojených zařízení. Obvyklým požadavkem je možnost regulace maximálního proudu a indikace přetížení.

Rezistorem malé hodnoty protéká výstupní proud a vytváří se úbytek napětí. Paralelně k rezistoru je připojen přechod báze – emitor nebo vstup operačního zesilovače. Při dosažení určité hodnoty (zpravidla cca 0,6 V) se tranzistor začne otevírat a dochází k omezení výstupního proudu. Rezistor musí mít dostatečnou zatížitelnost, protože jím protéká výstupní proud.
Proud procházející ze  stabilizátoru k výstupní svorce vytváří úbytek napětí na rezistoru R5 a diodě D9. Jeho velikost je závislá na protékajícím proudu. Potenciometr P1 nastavuje velikost proudového omezení, tj. určuje, kdy se začnou otevírat tranzistory T1 a T2.
Po otevření T2 začne přes rezistor R9 protékat proud diodou D10, ta se rozsvítí a signalizuje překročení nastaveného proudu.
T1 přivádí výstupní napětí na vstup integrovaného obvodu. Následkem toho dochází ke snižování výstupního napětí a tím i limitaci proudu.
Silnější čarou je kreslen obvod, kterým protéká výstupní proud.
Sériové zapojení R5 a D9 způsobuje nelineární závislost úbytku napětí na procházejícím proudu a zvyšuje citlivost proudového omezení. Rezistory R4 a R5 určují rozsah regulace proudového omezení, R3 a R4 omezují proud do bází T1 a T2, R14 zabraňuje tomu, aby LED dioda D10 slabě svítila v klidovém stavu.

Chlazení

V závislosti na maximálním výstupním proudu a napětí je třeba počítat s odpovídající výkonovou ztrátou některých součástek a zajistit jejich dostatečné chlazení.

1. Regulační tranzistor (tranzistory). K nejvyššímu výkonovému zatížení dochází při zkratu na výstupu, je-li nastaven maximální proud. Zpravidla jsou použity výkonové bipolární tranzistory s kolektorovou ztrátou až 250 W (MJ15003). Ty je třeba umístit na vhodný chladič, který může být opatřen větráčkem (aktivní chlazení). Kovové pouzdro nesmí být spojeno s nulovým potenciálem, proto se tranzistory montují izolovaně. V zapojeních s integrovanými stabilizátory (např. LM317T nebo L200) je regulační tranzistor součástí integrovaného obvodu. Podle výše uvedených zásad tedy opatříme chladičem příslušný integrovaný obvod.
2. Usměrňovač – jak již bylo uvedeno, vzniká také na usměrňovači výkonová ztráta, která je však podstatně nižší než na regulačním tranzistoru. Diodové můstky do 2 A nejsou přizpůsobeny pro montáž na chladič (nemusí se chladit).
3. Rezistory – většina rezistorů postačuje v běžném provedení. Pozornost je třeba věnovat pouze rezistorům, kterými prochází výstupní proud (viz Proudové omezení) nebo které jsou připojeny na vyšší napětí (např. rezistor připojený paralelně k filtračnímu kondenzátoru).
4. Síťový transformátor – účinnost dosahuje 70 až 90% podle provedení a příkonu. V našem případě to znamená, že ztrátový výkon bude dosahovat asi 3 až 9 W.

Regulace výstupního napětí a proudu

K regulaci se používá potenciometrů s lineárním nebo logaritmickým průběhem. Logaritmické potenciometry umožňují jemnější nastavení nízkých hodnot. Můžeme se také setkat s tím, že je použito dvou potenciometrů výrazně odlišných hodnot, zapojených v sérii. Potenciometr s nižší hodnotou pak umožní jemné nastavení. Jinou možností je použití přesných víceotáčkových potenciometrů. Jejich cena je však vysoká, proto s nimi setkáme jen u kvalitních profesionálních zařízení.
Některá zapojení obsahují také odporové trimry, které slouží k přesnému nastavení minimální a maximální hodnoty výstupního napětí nebo proudu.

Ochranné a doplňkové obvody

Dioda připojená v nepropustném směru paralelně k výstupu chrání zdroj proti napětí opačné polarity, připojeného k výstupním svorkám.
Na výstupu bývají také připojeny kondenzátory a rezistor. Kondenzátory snižují dynamický výstupní odpor zdroje. Můžeme se setkat s tím, že je paralelně připojen elektrolytický kondenzátor (pro nízké kmitočty) a keramický (pro vysoké). Rezistor zajišťuje vybití elektrolytického kondenzátoru při snížení výstupního napětí a vypnutí zdroje.
Keramické kondenzátory mohou být připojeny také paralelně k filtračnímu elektrolytickému kondenzátoru, usměrňovacím diodám nebo sekundárnímu vinutí transformátoru. Jejich úkolem je zamezit pronikání rušení (vysokofrekvenčního signálu) ze sítě.
Pro dosažení vysoké stability výstupního napětí obsahují laboratorní zdroje zesilovače s vysokým ziskem. Aby byla zajištěna jejich stabilita zapojují se do obvodu záporné zpětné vazby keramické kondenzátory hodnot 100 až 1000 pF.
K doplňkovým obvodům patří indikace různých poruchových stavů, regulace ventilátoru chlazení nebo obvody zajišťující plynulý nárůst napětí po zapnutí.

Měření proudu a napětí

Většina laboratorních zdrojů je vybavena voltmetry a ampérmetry. U profesionálních zařízení se zpravidla jedná o digitální měřidla. Jejich použití je však spojeno s potřebou zvláštního napájecího zdroje. Pro orientační měření vyhoví klasické analogové ručkové měřící přístroje, které mohou být pro úsporu místa i nákladů přepínatelné. To znamená, že pomocí přepínače určujeme jejich funkci – měření napětí nebo proudu.

Zapojení 1 je sice velmi jednoduché, ale neumožňuje nastavení měřidla. Při měření napětí se neměří skutečné výstupní napětí, ale přičítá se k němu úbytek napětí na R1. To způsobuje chybu, která se projeví zejména při malém výstupním napětí a velkém proudu.

Zapojení 2 je složitější, ale umožňuje přesně nastavit plnou výchylku měřidla a při měření napětí je měřidlo připojeno k výstupním svorkám, takže naměřená hodnota odpovídá skutečnému výstupnímu napětí. Abychom mohli vypočítat hodnoty rezistorů musíme znát kromě citlivosti, která je běžně uváděna přímo na měřidle (např. 100 μA) také jeho vnitřní odpor nebo úbytek napětí pro plnou výchylku. To musíme zjistit měřením.

Návrh desky plošného spoje

Při návrhu DPS (desky plošných spojů) je třeba vycházet z požadovaného konstrukčního rozmístění některých součástek. Jedná se zejména o ovládací a indikační prvky i další součástky umístěné mimo DPS.
Propojovacích vodičů by mělo být co nejméně (stoupá pracnost a snižuje se spolehlivost).
Součástky musí být uspořádány přehledně a všechny ovládací prvky včetně trimrů snadno dostupné.
Také akceptujte velikost proudů nejen širší folií na DPS, ale i odpovídajícím průřezem vodičů včetně jejich snadné demontáže v případě oprav.