ЛАБОРАТОРНІ джерело постійної напруги І СТРУМУ

А. Музика, м. Пенза

Цей лабораторний джерело живлення радіоапаратури – результат практичної діяльності невеликої групи хлопців з підліткового клубу радіотехнічного "Радар" (м. Пенза). Він являє інтерес для тих, хто займається розробкою апаратури на операційних підсилювачах і сучасних мікросхемах, що вимагають одно-і двополярної напруги живлення, регульованого в досить широкому діапазоні.

Особливістю цього лабораторного джерела живлення є вузол захисту. Відомо, що для деяких мікросхем, розрахованих на харчування від джерела двополярної напруги, неприпустимою є ситуація, коли одне з них відсутня. Для виключення таких ситуацій у пропонованому блоці передбачена система захисту, що 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 нагрузкі.А .. .0,01 … 1,2

Рівень пульсацій у режимі джерела струму при 1Н = = 0,1 А, мВ ……………….. 10

Напруга порогу спрацювання пристрою блокування, В. …………………. 1

Параметри пристрою в режимі джерела напруги відповідають довідковими даними на використовувані в ньому мікросхемние стабілізатори напруги [1, 2].

Конструктивно воно складається з двох функціонально закінчених блоків: двополярної джерела живлення навантажень і вузла захисту від замикання, змонтованих на окремих друкованих платах.

Схема першого із цих блоків показана на рис. 1. Обмотки II і III мережевого трансформатора Т1, діодні мости VD1 – VD4 і VD5 – VD8 утворюють джерело двополярної нестабілізіро-ного напруги +23 … +24 У, який живить всі вузли та блоки пристрою. Джерелом живлення мікросхеми DA1 за її полюси служить стабілізатор напруги R11VD14, а мікросхеми DA3 – стабілізатор R1VD9.

./240820101200001712.gif

За функціонування та схемотехніці обидва плеча джерела живлення симетричні, тому більш детально розглянемо роботу лише одного з них – плюсовій.

Нестабілізованное однополярної напругу (не більше 25 В), пульсації якого згладжують конденсатори С1 і С2, через вимірювальний резистор R5, що входить у вимірювальний міст, утворений резисторами R2.1 – R5 і стабілітрони VD10 та VD11, подається на вхід (висновок 2) мікросхемного стабілізатора DA2 з вихідним напругою, регульованим змінним резистором R10. Харчування 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 інверсної, і на виході 6 ОУ напругу близько до 21 В. Діоди HL1 і VD13 закриті і не роблять впливу на роботу стабілізатора DA2.

Якщо вихідний струм стає рівним порогове значення, встановленому резистором R2.1, в роботу включається вимірювальний міст. ОП DA1 переходить в лінійний режим, при якому виконується рівність

U R2.1 + U R3 = U R5 + U стVD10

У такому випадку вихідна напруга плеча буде залежати від напруги на виході ОП, який у свою чергу відстежує падіння напруги на резисторі R5, тобто струм навантаження, при якому виконується вказане вище рівність. Отже, при виконанні співвідношень

R3/R4 = 1
і U стVD10 = U стVD11
I н = R2.1/R4*U стVD11 /R5.

Цією спрощеною формулою можна скористатися, якщо виникне необхідність перерахувати параметри вимірювального моста з урахуванням наявної елементної бази чи 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 вихід або у навантаженні наведена на рис. 2. При подачі на його входи двополярної вихідної напруги транзистори VT4 і VT7 відкриваються і тим самим шунтуючих: транзистор VT4 – ланцюг, утворену світлодіодом HL3, резистором R25 і випромінюючим діодом Оптрон U1, а транзистор VT7 – ланцюг HL4, R29 і світлодіод Оптрон U2. Транзистори VT3 і VT6 в цей час закриті. Таке стан елементів цих кіл системи захисту відповідає роботі пристрою без замикань в його зовнішніх ланцюгах.

./240820101200001713.gif

Припустимо, що замикання сталося в навантаженні, підключеної до виходу плюсовому плеча джерела живлення. У такому випадку транзистор VT4 закривається. Це призводить до відкриванню транзистора VT6 (через стабілітрон VD24 і резистор R30), що виключає взаємну 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 + UBbK, і випромінювач Оптрон U1. У результаті різко зростає струм фотодіода цього Оптрон, відкривається транзистор VT8 та 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 за напругою визначається сумарним падінням напруги на діод VD19 (VD22), емітерний перехід транзистора VT4 (VT7), резистори R20 (R26) і в нашому випадку становить приблизно 1 В. Підвищити напруга спрацювання можна заміною діодів відповідними стабілітрони і підбором резисторів R20 і R26 по надійному відкриванню транзисторів VT4, VT7.

Оскільки напруга на виході блокованих стабілізаторів DA2 і DA4 не перевищує 1,3 В, резистори R21, R23, R24, VD20 діод, стабілітрон VD21 і транзистор VT3 плюсовому плеча, а також аналогічні елементи мінусового плеча можна виключити, так як взаємної блокування плечей не відбудеться. Передбачені ж ці елементи для випадку, коли необхідно підвищити (для мінусового плеча – зменшити) напруга порога спрацювання захисту. При цьому бажано передбачити відключення від нього і живлячої напруги +10 В. Інакше неможливо встановити вихідна напруга менша, ніж значення порогу 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 СПЗ-4аМ групи A, R10 і R17 – тієї ж групи А, але одинарні. Оксидні конденсатори С1, С2 і С5, С6 – К50-35, С4 і С8 – серії К53, СЗ і С7 – будь-які керамічні, наприклад КМ-6. Діоди КД208А (VD1-VD8) замінимі на аналогічні серії КД226, a Kfl105A (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 В з мінімальним тепловим дрейфом.

./240820101200001714.jpg
Рис. 3

Польові транзистори VT1 і VT2 (КПЗОЗ з буквеним індексом А, В, Ж або І) 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 напругу 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 теплоотво-ди, які гвинтами укріплені на друкованій платі з боку інших деталей. Для кращого теплового контакту стабілізатори попередньо покриті шаром теплопровідних пасти.

Налагодження головного блока проводиться при відключеному блоці захисту і полягає в ретельній перевірці монтажу і всіх з'єднань і, якщо треба, підгонці напруг, що забезпечують роботу мікросхем, та налаштування вимірювального моста.

Відразу після підключення пристрою до мережі слід перш за все виміряти напругу на фільтруючих конденсаторах С1, С2 і С5, С6, згладжуючих пульсації двополярної випрямляча, і стабілітрони VD9, VD14, що забезпечують харчуванням ОУ DA1 і DA3. Напруга на конденсаторах не повинно перевищувати ± 25 В, а на стабілітрони – бути в межах ± 9,5 … 10,5 В. При обертанні валів резисторів R10 і R17 напруги на відповідних виходах плечей блоку харчування повинні плавно змінюватися від 1,25 до 18 В, а світлодіоди HL1 і HL2 при цьому не горіти. Максимальні значення цих напруг встановлюють підбіркою резисторів R8 і R18.

Функціонування вимірювальних мостів плечей пристрої контролюють високоомним вольтметром постійного струму, підключаючи його до вхідних висновків ОУ DA1 і DA3. Напруга на інверсної вході кожного з ОУ (Щодо загального проводу) повинно бути негативніше напруги на неін-вертірующем вході. Різниця в рівнях цих напруг буде змінюватися пропорційно опорам резисторів R2.1 і R2.2 "Обмеження Iвих ".

При рівності напруг пристрій повинен перемикатися з режиму джерела напруги в режим джерела струму (або навпаки).

Початкового значення обмеження струму навантаження (0,01 А) домагаються 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 із серії К361, a VT6 – будь-який із серії КТ315. Коефіцієнт передачі струму бази транзисторів КТ3102Е (VT4, VT5) і КТ3107К (VT7, VT8) повинен бути не менше 400.

./240820101200001715.jpg
Рис. 4

Монтажні плати блоку живлення, скріплені на зразок етажерки (рис. 5), і мережевий трансформатор розміщені в корпусі з внутрішніми розмірами 210x90x90 мм з пластин текстоліту товщиною 5 мм. Всі елементи та органи управління блоком, а також гнізда-затиски для підключення навантажень і заземлення винесені на лицьову панель корпусу (рис. 6).

./240820101200001716.jpg

Там же знаходиться і вольтметр постійного струму (PV1 на рис. 7), що дозволяє контролювати напругу на виході будь-якого з плечей блоку живлення.

./240820101200001717.gif
Рис. 7

ЛІТЕРАТУРА

1. Нефедов А., Головіна В. Мікросхеми КР142ЕН12. – Радіо, 1993, № 8, с. 41,42; 1994, № 1, с. 45.

2. Нефедов А., Головіна В. Мікросхеми КР142ЕН18А, КР142ЕН18Б. – Радіо, 1994, № 3, с. 41,42.

3. Хоровіц П., Хілл У. Мистецтво схемотехніки, том 1. – М.: Світ, 1986.

Від редакції. Потужність, розсіює мікросхемами DA2 і DA4, не повинна перевищувати 10 Вт. Це обмежує максимальний вихідний струм джерела значенням 1,2 А при вихідному напрузі більш ± 15 В. При меншій вихідному напрузі падіння напруги на зазначених мікросхемах збільшується, допустимий вихідний струм зменшується і при вихідному напрузі 1,25 В становить 10 / (24-1,25) = = 0,44 А. Кожну пару стабілітронів VD10, VD11 і VD15, VD16 можна замінити на один стабілітрон на напругу 10 … 15 В. Половину напруги стабілітрон для подачі на неінвертуючий входи ОП DA1 і DA3 при цьому слід одержати за допомогою дільника з двох однакових резисторів опором 68 кОм, включених так, як стабілітрони на схемі рис. 1. Застосування термостабільні стабілітронів не виправдане, оскільки Теково вони є лише при робочому струмі 10 мА, а тут струм через них значно менше.

При роботі блоку в режимі стабілізації напруги при вихідному напрузі 1,25 В закриває зміщення на світлодіодах HL1 і HL2 становить близько 20 В, що для них неприпустимо. Тому послідовно з кожним з них слід включити будь-який 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 більше напруга стабілізації, ніж VD9 і VD14, тому краще використовувати їх з індексами Г або Д. Для того щоб транзистори VT5 і VT8 НЕ откриввлісь зворотними струмами неосвітлених фотодіодів U1.2 і U2.2, їх переходи база-емітер слід зашунтіровать резисторами 510 … 680 кОм.

РАДІО № 6, 1999 р., с. 43.