У практиці радіоаматора час від часу виникає необхідність у стабілізованому постійній напрузі, що перевищує традиційні 5...15 В, застосовуються для живлення апаратури на мікросхемах. У таких випадках допоможе описуваний пристрій.
Технічні характеристики джерела
- Інтервали вихідної напруги, В......5...55, 50...100
- Максимальний вихідний струм, мА......200
- Рівень обмеження вихідного струму, мА......250
- Пульсації вихідної напруги, мВ, не більш......10
- Нестабільність вихідної напруги при зміні напруги мережі в межах 190...240 В і вихідного струму 0...200 мА, %, не більше......0,1
Висока стабільність забезпечена застосуванням в якості джерела зразкового напруги і підсилювача сигналу неузгодженості мікросхеми КР142ЕН19А[1].
Схема джерела живлення наведена на рис. 1. Його випрямляч зібраний за схемою з подвоєнням напруги на діодах VD1 і VD2, які для зниження рівня комутаційних перешкод зашунтовані конденсаторами С1 і С2. Щоб зменшити потужність, рассеиваемую на транзисторах стабілізатора, при роботі в інтервалі 5...55 В відключають частину вторинної обмотки трансформатора Т1 перемикачем SA2.
Транзистор VT2 служить генератором струму. Напруга на його базі стабілізоване світлодіод HL1, значення струму колектора (8...9 мА) задає резистор R2. Через дільник з резисторів R4-R8 частина вихідної напруги стабілізатора надходить на керуючий вхід мікросхеми DA1. Якщо напруга тут менше 2,5 В, анодний струм мікросхеми і колекторний струм транзистора VT1 не перевищують 0,4 мА. Завдяки цього транзистора, включеного за схемою із загальною базою, напруга на аноді мікросхеми DA1 не перевищує 3,3 В, а потужність, що розсіюється нею потужність не виходить за допустиме значення.
У цьому режимі майже весь колекторний струм транзистора VT2 поступає в базу транзистори VT4, відкриваючи останній. Напруга на виході стабілізатора і на вході управління мікросхеми DA1 зростає. Коли останнім досягне 2,5 В, анодний струм DA1, а з ним і колекторний струм транзистора VT1 різко зросте, струм бази транзистора VT4 зменшиться і напруга на виході джерела буде стабілізоване на рівні, який визначається співвідношенням опорів резисторів R4-R8. Плавно регулюють вихідна напруга змінним резистором R5, інтервал регулювання вибирають за допомогою перемикача SA2.
Транзистор VT3 нормально закритий. Але при збільшенні струму навантаження та колекторного струму транзистора VT4 приблизно до 250 мА падіння напруги на резисторі R10 досягає значення, при якому транзистор VT3 відкривається, шунтіруя світлодіод HL1. Це призводить до зменшення колекторних струмів транзисторів VT2 і VT4. В внаслідок вихідний струм стабілізатора виявляється обмеженим зазначеним вище значенням. Про спрацювання обмежувача струму можна судити по зменшенню яскравості світіння світлодіода.
Коли в результаті дії обмежувача напруга на виході стабілізатора знизиться приблизно до 2,7, поточний по ланцюгу HL1R1 струм піде в навантаження через відкритий діод VD4, дещо збільшуючи сумарний протікає через неї струм. Якби діода VD4 не було, в результаті зміни полярності прикладеної напруги відкрився б колекторний перехід транзистора VT1 і струм, поточний через R1, подався б у базу транзистора VT4. В результаті посилення транзистором VT4 прирощення струму навантаження було б набагато більшим.
Є можливість повністю усунути ефект збільшення струму за допомогою діода, включеного в розрив ланцюга, що сполучає колектор транзистора VT1 з базою транзистори VT4 і колектором транзистора VT2. Але в такому випадку транзистори VT1 і VT2 не можна буде встановлювати на загальний тепловідвід без ізолюючих прокладок.
Слід розповісти про призначення діодів VD5 і VD6. Припустимо, перемикач SA2 знаходиться в положенні "50...100", а на виході встановлено мінімальну напруга (движок змінного резистора R5 - у верхньому по схемі положенні). Після переведення перемикача SA2 в положення "5...55 В" напруга 50 В, до якого заряджений конденсатор С7, виявляється прикладеним до резистори R6-R9, причому більше його половини (близько 30 В) - до керуючого входу мікросхеми DA1. Остання з ладу не вийде, але за внутрішнім ланцюгів мікросхеми це напруга потрапить на її анод і на емітер транзистора VT1, закриваючи останній. В результаті весь колекторний струм транзистора VT2 потече в базу транзистора VT4 і на виході стабілізатора з'явиться максимально можлива напруга. До жаль, це стан стійко і самостійно стабілізатор вийти з нього не зможе.
Діод VD5 служить для виключення такої критичної ситуації. Відкриваючись, він обмежує напруга на вході мікросхеми DA1 допустимим значенням. Правильний вибір напруги стабілізації стабілітрона VD3 і номіналів резисторів R7 і R8 гарантує, що в нормальному робочому режимі діод VD5 залишається закритим і не впливає на роботу стабілізатора.
При різкій зміні положення органів управління в бік зменшення вихідного напруги можлива ситуація, коли за рахунок повільної розрядки конденсатора С7 напруга на емітер транзистора VT4 "не встигає" за напругою на його базі. Виникає небезпека пробою емітер-ного переходу транзистора напругою, прикладеним до нього в зворотному напрямку. Діод VD6 запобігає цей оборотний, але небажаний пробій. Конденсатор С7 розряджається по ланцюгу VD6, VT1, R3, DA1. Завдяки резистору R3 струм розрядки не перевищує 100 мА.
В блоці живлення застосований уніфікований трансформатор ТПП271-127/220-50 [2] габаритною потужністю 60 Вт. Подібні трансформатори меншої потужності мають занадто великі для роботи в пропонованому пристрої активні опору обмоток. Для деякого зменшення напруги на вторинних обмотках трансформатора висновки його первинних обмоток з'єднані нестандартним чином. При самостійне виготовлення трансформатора слід орієнтуватися на зазначені на рис. 1 напруги холостого ходу вторинних обмоток. Перерізу обмотувальних проводів повинні бути досить великими, щоб опору обмоток були приблизно такими ж, як у зазначеного трансформатора: 1-9 - 56 Ом, 13-16 -2,3 Ом, 17-18 -1,3 Ом.
Всі постійні резистори в пристрої - С2-23, МЛТ відповідної потужності, R5 - ППЗ-40. Конденсатори С1 і С2 - керамічні на напругу не менше 160, наприклад, КМ-5 групи ТКЕ не гірше М1500. C3, C4, С7 - імпортні аналоги К50-35, С6 - КМ-5, КМ-6, С5 і С8 - К73-17 на напругу 250 Ст. Діоди 1N4007 мають вітчизняний аналог - КД243Ж, можна використовувати будь-які діоди на напругу не менше 200 В і струм 300 мА. Замість КД509А можна встановити будь-які діоди з допустимим імпульсним струмом не менше 300 мА.
Коефіцієнти передачі струму һ21э у всіх потужних транзисторів повинні бути не менше 30, причому цей параметр транзистора VT4 слід перевіряти при струмі колектора 200 мА. Заміну транзисторів VT1, VT2 і VT4 потрібно підбирати з граничним напругою колектор-емітер не менш 160 і допустимим струмом колектора не менше 100 мА (VT1 і VT2) і 1 A (VT4). Транзистор VT3 - будь-який кремнієвий малопотужний структури p-n-p. Світлодіод HL1 - будь видимого світла. Щоб зберегти незмінним колекторний струм транзистора VT2 при установці світлодіода HL1 зеленого або жовтого кольору, доведеться, можливо, трохи збільшити номінал резистора R2. Мікросхему КР142ЕН19А можна замінити імпортним аналогом TL431.
Основна частина деталей джерела живлення розміщена на друкованій платі розмірами 50x75 мм з склотекстоліти товщиною 1,5 мм (рис. 2, вид з боку друкованих провідників). На ній же знаходиться загальний ребристий тепловідвід транзисторів VT1 і VT2 розмірами 20x24x38 мм. Транзистор VT4 встановлюють на окремому ребристому тепловідвід розмірами 36x100x140 мм. Діод VD6 припаюють безпосередньо до висновків цього транзистора.
Підключати зібране пристрій до мережі в перший раз бажано через лабораторний регульований автотрансформатор, на виході якого попередньо встановлено нульову напругу. Движок змінного резистора R5 повинен перебувати в положенні мінімального опору, перемикач SA2 - в положенні "5...55". До виходу джерела підключають вольтметр і переконуються, що по мірі обертання рукоятки автотрансформатора в бік збільшення напруги показання вольтметра ростуть, але, дійшовши приблизно до 5 В, залишаються на цьому рівні. Якщо це так, можна довести вхідна напруга до номінальних 220 В і перевірити напругу на деяких елементах пристрою. На катоді стабілітрона VD3 воно повинно бути близьким до напрузі його стабілізації (3,9), на верхньому з схемі виведення резистора R7 - приблизно 3,3 Ст. Падіння напруги на резисторі R2 має становити близько 1,1 В, якщо воно більше, то слід збільшити номінал зазначеного резистора таким чином, щоб поточний через нього струм був у межах 8...9 мА.
Резистори R4, R6, R8 підбирають у наступному порядку. При перемикач SA2, знаходиться в положенні "5...55", встановлюють за допомогою змінного резистора R5 максимальна напруга на виході джерела. Підбирають резистор R8 таким чином, щоб воно було трохи більше 55 Ст. Переводять движок резистора R5 в інший крайнє положення і, підбираючи резистор R6, досягають вихідного напруги трохи менше 5 Ст. Потім переводять перемикач SA2 в положення "50... 100 В" і підбирають резистор R4, домагаючись зазначених меж регулювання вихідної напруги резистором R5.
Слід обов'язково перевірити роботу джерела живлення з максимальним навантаженням. Якщо на якому-небудь діапазоні при максимальному вихідному напрузі збільшення струму навантаження призводить до зниження цієї напруги, справа в недостатньому напрузі на вторинній обмотці або занадто великому опір обмоток.
Міліамперметр для контролю вихідного струму можна включити в розрив проводу, йде від емітера транзистора VT4 до інших елементів схеми (крім діоди VD6). Так як через прилад у цьому випадку, крім струму навантаження, буде текти і струм дільника R4-R8, стрілку миллиамперметра слід встановити на нуль коригувальним гвинтом при включеному, але працює без навантаження джерелі. Пристрій можна доповнити перемикачем рівня обмеження вихідного струму (рис. 3). Опір введеної частини ланцюга резисторів R10-R13 повинно бути таким, щоб при граничному струмі на неї падало напруга близько 0,6 В.
Стабілізатор напруги за схемою, неважко розрахувати на будь - інтервал регулювання вихідної напруги з верхньою межею 50...500 У. Транзистори (крім VT3) слід вибрати приблизно з запасом по півтораразову напрузі щодо максимального вихідного. Генератор струму на транзисторі VT1 повинен видавати струм приблизно в 1,2 рази більше максимального вихідного струму стабілізатора, поділеного на коефіцієнт һ21э транзистора VT4. При розрахунковому вихідному струмі 1 А як VT4 необхідний складовий транзистор. Струми через резистор R1 і дільник R4-R8 можуть бути обрані в межах 4...10 мА. Якщо стабілізатор проектують на фіксована або регульована в невеликих межах вихідна напруга, діоди VD4 і VD6 можна не встановлювати.
Література
Автор: С. Бірюков, р. Москва