той лабораторний джерело живлення радіоапаратури - результат практичної діяльності невеликої групи хлопців з підліткового радіотехнічного клубу "Радар" (р. Пенза). Він представляє інтерес для тих, хто займається розробкою апаратури на операційних підсилювачах і сучасних мікросхемах, вимагають одне- і двополярної напруги живлення, регульованого в досить широкому діапазоні.
Особливістю цього лабораторного джерела живлення є вузол захисту. Відомо, що для деяких мікросхем, розрахованих на живлення від джерела двополярної напруги, неприпустима ситуація, коли одне з них відсутній. Для виключення таких ситуацій у пропонованому блоці передбачена система захисту, блокує роботу будь-якого з плечей живильного пристрою при замиканні в іншому плечі. Після усунення причини замикання джерело живлення автоматично переходить в нормальний режим роботи.
Технічні характеристики пристрою
- Межі регулювання вихідної напруги, В......+1,25...18
- Інтервал регулювання обмеження струму навантаження, А......0,01...1,2
- Рівень пульсацій в режимі джерела струму при Ін=0,1 А, мВ......10
- Напруга порога спрацьовування пристрою блокування, ......1
Параметри пристрою в режимі джерела напруги відповідають довідковим даними на використовувані в ньому мікросхемние стабілізатори напруги [1, 2].
Конструктивно вона складається з двох функціонально закінчених блоків: двополярного джерела живлення навантажень і вузла захисту від замикання, змонтованих на окремих друкованих платах.
Схема першого з цих блоків показана на рис. 1. Обмотки II і III мережевого трансформатора Т1, діодні мости VD1 - VD4 і VD5 - VD8 утворюють джерело двополярного нестабілізованого напруги +23...24 В, що живить всі вузли і блоки пристрою. Джерелом живлення мікросхеми DA1 за її мінусового висновку служить стабілізатор напруги R11VD14, а мікросхеми DA3 - стабілізатор R1VD9.
По функціонуванню і схемотехніці обидва плеча джерела живлення симетричні, тому більш детально розглянемо роботу лише одного з них - плюсового.
Нестабилизованное однополярної напругу (не більше +25), пульсації якого згладжують конденсатори С1 і С2, через вимірювальний резистор R5, що входить в вимірювальний міст, утворений резисторами R2.1 - R5 і стабілітронами VD10 і VD11, подається на вхід (висновок 2) микросхемного стабілізатора DA2 з вихідним напругою, регульованим змінним резистором R10. Живлення вимірювального моста забезпечує джерело струму, виконаний на польовому транзисторі VT1.
Поки вихідний струм стабілізатора менше встановленого значення, падіння напруги на резисторі R5 мало, напруга на прямому виході DA1 більше, ніж на інверсному, і на виході 6 ОУ напруга близько до +21 Ст. Діоди HL1 і VD13 закриті і не впливають на роботу стабілізатора DA2.
Якщо вихідний струм стає рівним порогового значення, встановленого резистором R2.1, в роботу включається вимірювальний міст. ОУ DA1 переходить в лінійний режим, при якому виконується рівність
UR2.1 + UR3 = UR5 + Uст VD10.
В такому випадку вихідна напруга плеча буде залежати від напруги на виході ОУ, який в свою чергу відстежує падіння напруги на резисторі R5, тобто струм навантаження, при якому виконується зазначена вище рівність. Отже, при виконанні співвідношень R3/R4 = 1 і Uст VD10 = Uст VD11
Ін = R2.1/R4.Uст VD11/R5.
Цією спрощеною формулою можна скористатися, якщо виникне необхідність перерахувати параметри вимірювального моста з урахуванням наявної елементної бази або інших вимог. Для більш точного відстеження менших струмів навантаження опір резистора R5 бажано збільшити. При цьому відповідно знизиться верхня межа обмеження струму навантаження.
Принципово так працює і мінусове плече джерела живлення.
Схема блоку захисту пристрою від замикання на його виході або в навантаженні наведена на рис. 2. При подачі на його входи двополярного вихідної напруги транзистори VT4 і VT7 відкриваються і тим самим шунтують: транзистор VT4 - ланцюг, утворену світлодіод HL3, резистором R25 випромінює діодом оптрон U1, а транзистор VT7 - ланцюг HL4, R29 і світлодіод оптрона U2. Транзистори VT3 і VT6 в це час закриті. Такий стан елементів цих ланцюгів системи захисту відповідає роботі пристрою без замикань в його зовнішніх ланцюгах.
Припустимо, що замикання сталося в навантаженні, підключеного до виходу плюсового плеча джерела живлення. В такому випадку транзистор VT4 закривається. Це призводить до відкривання транзистора VT6 (через стабілітрон VD24 і резистор R30), що виключає взаємне блокування системи захисту. Транзистор VT7 після блокування мінусового плеча залишається відкритим струмом, що надходять в його базу через резистор R27 і діод VD23. Одночасно відкриваються світлодіод HL3, сигналізуючи про виникнення замикання в ланцюзі +Uвих, і випромінювач оптрон U1. В результаті різко зростає струм фотодіода цього оптрона, відкривається транзистор VT8 і струмом колектора блокує роботу стабілізатора DA4 мінусового плеча пристрою.
Так працює і аналогічна частина блоку захисту при замиканні в навантаженні мінусового плеча пристрою. Поріг ж спрацьовування блоку захисту по напрузі визначається сумарним падінням напруги на діоді VD19 (VD22), эмиттерном перехід транзистора VT4 (VT7), резистор R20 (R26) і в нашому випадку становить приблизно 1 Ст. Підвищити напруга спрацьовування можна заміною діодів відповідними стабілітронами і підбором резисторів R20 і R26 по надійному відкривання транзисторів VT4, VT7.
Оскільки напруга на виході блокованих стабілізаторів DA2 і DA4 не перевищує 1,3 В, резистори R21, R23, R24, діод VD20, стабілітрон VD21 і транзистор VT3 плюсового плеча, а також аналогічні елементи мінусового плеча можна виключити, так як взаємної блокування плечей не відбудеться. Передбачені ці елементи для випадку, коли необхідно підвищити (для мінусового плеча - зменшити) напруга порога спрацьовування захисту. При цьому бажано передбачити відключення від нього і живлячої напруги %10 Ст. Інакше неможливо встановити вихідна напруга менше, ніж значення порога спрацьовування, оскільки блок захисту буде фіксувати замикання в навантаженні і блокувати протилежне плече. Блок живлення буде працювати і без системи захисту.
Його друкована плата виконана з одностороннього фольгованого склотекстоліти. Розміщення деталей показано на рис. 3. Всі постійні резистори - МЛТ, змінні R2.1 і R2.2 - здвоєний резистор СП3-4аМ групи А, R10 і R17 - тієї ж групи А, але одинарні. Оксидні конденсатори С1, С2 і С5, С6 - К50-35, С4 і С8 - серії К53, C3 і С7 - будь-які керамічні, наприклад КМ-6. Діоди КД208А (VD1-VD8) замінні на аналогічні серії КД226, а КД105А (VD12, VD18) - на будь-які з серій КД208, КД209, КД226, діоди VD13 і VD17 - будь-які малопотужні кремнієві. Номінальна напруга стабілізації стабілітронів VD10, VD11 і VD15, VD16 (Д818Е або серії КС190) можна вибрати в межах 9...11 з мінімальним тепловим дрейфом.
Польові транзистори VT1 і VT2 (КП303 з індексом А, В, Ж або И) бажано відібрати з початкового струму стоку - у межах 2...4 мА.
Мережевий трансформатор Т1, використаний у пристрої від розібраного блоку харчування закордонного виробництва. Підійде будь-який інший, в тому числі саморобний, що забезпечує на кожній з його вторинних обмоток змінну напруга 17...18 В при струмі навантаження не менше 1,4 А.
Стабілітрони VD11 і VD15 розташовані з боку друкованих провідників плати. Стабілізатори DA2 і DA4 встановлені на ребристі радіатори, які гвинтами укріплені на друкованій платі з боку інших деталей. Для кращого теплового контакту стабілізатори попередньо покриті шаром теплопровідної пасти.
Налагодження основного блоку пристрою проводиться при відключеному блоці захисту і полягає в ретельній перевірці монтажу і всіх з'єднань і, якщо треба, підгонці напруги, що забезпечують роботу мікросхем, і налаштуванні вимірювального моста.
Відразу після підключення пристрою до мережі слід насамперед виміряти напруга на фільтруючих конденсаторах С1, С2 і С5, С6, що згладжують пульсації двополярного випрямляча, і стабилитронах VD9, VD14, забезпечують харчуванням ОУ DA1 і DA3. Напруга на конденсаторах не повинно перевищувати +25, а на стабилитронах - бути в межах +9,5...10,5 Ст. При обертанні валів резисторів R10 і R17 напруги на відповідних виходах плечей блоку живлення повинні плавно змінюватися від 1,25 до 18 В, а світлодіоди HL1 і HL2 при цьому не горіти. Максимальні значення напруг встановлюють підбором резисторів R8 і R18.
Функціонування вимірювальних мостів плечей пристрої контролюють високоомним вольтметром постійного струму, підключаючи його до вхідних виводів ОУ DA1 і DA3. Напруга на інверсному вході кожного з ОУ (відносно загального проводу) має бути отрицательнее напруги на неінвертуючому вході. Різниця в рівнях цих напруг буде змінюватися пропорційно опорів резисторів R2.1 і R2.2 "Обмеження Івих". При рівності напруг пристрій має перемикатися з режиму джерела напруги в режим джерела струму (або навпаки).
Початкового значення обмеження струму навантаження (0,01 А) досягають підбором відповідних резисторів (R3 і R13) вимірювальних мостів при положенні вала змінного резистора R2 в положенні мінімального опору.
Друкована плата блоку захисту, розміщення деталей на ній і підключення до плати блоку живлення зображені на рис. 4. Всі резистори - МЛТ-0,25. Транзистор VT3 - будь-який з серії К361, а VT6 - будь-який з серії КТ315. Коефіцієнт передачі струму бази транзисторів КТ3102Е (VT4, VT5) і КТ3107К (VT7, VT8) повинен бути не менше 400.
Монтажні плати блоку живлення, скріплені зразок етажерки (рис. 5), і мережевий трансформатор розміщені в корпусі з внутрішніми розмірами 210x90x90 мм з пластин текстоліту товщиною 5 мм
Всі елементи і органи управління блоком, а також гнізда-затиски для підключення навантажень і заземлення винесені на лицьову панель корпусу (рис. 6).
Там же знаходиться і вольтметр постійного струму (PV1 на рис. 7), що дозволяє контролювати напругу на виході будь-якого з плечей блоку харчування.
Потужність, що розсіюється мікросхеми DA2 і DA4, не повинна перевищувати 10 Вт. Це обмежує максимальний вихідний струм джерела значенням 1,2 А при вихідному напрузі більше +15 Ст. При меншому вихідному напрузі падіння напруги на зазначених мікросхемах збільшується, допустимий вихідний струм зменшується і при вихідному напрузі 1,25 В складає 10/(24-1,25)=0,44 А. Кожну пару стабілітронів VD10, VD11 і VD15, VD16 можна замінити на один стабілітрон на напругу 10...15 Ст. Половину напруги стабілітрона для подачі на неінвертуючий входи ОУ DA1 і DA3 при цьому слід отримати з допомогою дільника з двох однакових резисторів опором 68 кОм, включених так, як стабілітрони на схемі рис. 1. Застосування термостабільних стабілітронів не виправдано, оскільки такими вони є лише при робочому струмі 10 мА, а тут струм через них значно менше.
При роботі блока в режимі стабілізації напруги, при вихідному напрузі В 1,25 закриває зміщення на світлодіоди HL1 і HL2 становить близько 20, що для них неприпустимо. Тому послідовно з кожним з них слід включити будь малопотужний кремнієвий діод або просто не встановлювати резистори R9 і R19. Стабілітрони VD21 і VD24 для надійного закривання транзисторів VT3 і VT6 повинні мати гарантовано більша напруга стабілізації, ніж VD9 і VD14, тому краще використовувати їх з індексами Г або Д. Для того щоб транзистори VT5 і VT8 не відкривалися зворотними струмами неосвітлених фотодіодів U1.2 і U2.2, їх переходи база-емітер слід зашунтувати резисторами 510...680 кОм.
Література
Автор: А. Музыков, р. Пенза