Чому блок живлення Хороше живить напруга дуже важливо за будь-яких експериментах з електричними колами, так само як і при збірці пристрою за готовою схемою Проблеми з харчуванням можуть сильно позначитися на роботі пристрою, тому блок живлення, нехай на першому етапі не настільки «крутий», виявиться корисний надалі Спочатку я пропоную стримати вимоги до блоку живлення і виконати його з наступними параметрами: регульоване напруга 5-15 В, допустимий струм 200 мА

Що нам буде потрібно для цього пристрою: шматок макетної плати, мікросхема стабілізатора напруги 7805, нестабілізований мережевий адаптер з параметрами, скажімо, 18 В і 1 А Крім того знадобиться змінний резистор, звичайні резистори і деякі конденсатори, номінали яких ми визначимо, проводячи експерименти за компютером Можливо, знадобляться деякі розєми Мета цієї першої роботи – дізнатися, як влаштований блок живлення, попутно зібравши корисний пристрій

Якщо фінанси вам дозволяють до цього набору можна додати модуль вольтметра:

Рис 31 Цифровий вольтметр

Але це не обовязково Можна вихідна напруга вимірювати мультиметром Нітрохи не гірше Як мережевого адаптера можна використовувати БПН18-07:

Рис 32 Мережевий адаптер на 18 В

Мікросхема стабілізатора напруги виглядає як звичайний потужний транзистор:

Рис 33 Мікросхема стабілізатора напруги

Хоча мережевий адаптер ми використовуємо готовий, розглянемо, як він улаштований Найімовірніше він має трансформатор і випрямляч

Робота трансформатора заснована на тому, що при протіканні змінного струму по котушці індуктивності навколо неї зявляється електромагнітне поле, яке може взаємодіяти з розташованої поруч інший котушкою, наводячи в ній ЕРС Для посилення ефекту звязку між котушками, їх намотують на загальному сердечнику Ш-подібної або О-подібної форми перший котушку намотують на каркасі і називають первинною обмоткою, другий котушку дуже часто намотують поверх першої і називають вторинною обмоткою (хоча вона може розташовуватися і на іншому каркасі) Величина наведеної ЕРС вторинної обмотки залежить в першу чергу від співвідношення кількості витків первинної та вторинної обмоток Якщо кількість витків вторинної обмотки більше, ніж первинної, то трансформатор виходить підвищує, інакше знижуючим

У адаптері, про який йде мова, трансформатор понижуючий Розрахунок трансформатора досить складний, але основні моменти такі: ми визначаємо вихідні параметри трансформатора, які залежать від наших потреб, це напруга і струм вихідний обмотки Вони визначають необхідну потужність вторинної обмотки, за якою визначається вхідна потужність з урахуванням коефіцієнта корисної дії трансформатора ККД трансформатора має різне значення для трансформаторів різної потужності і конструкції За обчисленої

потужності первинної обмотки можна вибрати, з урахуванням характеристик сердечника, його розміри також можна визначити струм у первинній обмотці Ток первинної та вторинної обмоток визначає діаметр проводу, яким намотуються котушки трансформатора Зазвичай це мідний дріт в емалевою ізоляції Але при намотуванні обмоток для створення електричної міцності шари намотаного дроти ізолюють додатковими прокладками із спеціального паперу Визначивши кількість витків первинної і вторинної обмоток і діаметр проводу, проводять розрахунок, який показує, вмістяться чи обмотки у вікні залізного сердечника на каркасі Якщо немає, то вибирають сердечник більшого розміру

Для випрямляча адаптера, як правило, вибирають бруківку схему Ця схема дозволяє використовувати не один напівперіод випрямленої напруги, а обидва Ось як це виглядає:

Рис 34 Робота мережевого адаптера

Порівнюючи з малюнком, де показана робота діода як випрямляча, ви бачите різницю: на опорі навантаження випрямляча R1 видно обидві напівхвилі випрямленої напруги

Але, якщо у вас є осцилограф, яким ви вмієте користуватися, і якщо ви підключите осцилограф до виходу мережевого адаптера, ви не побачите ніяких полуволн Знову не відповідність програми і реальності У даному випадку немає

Ми говорили, що після випрямлення змінної напруги ми не отримуємо ще постійна напруга, напруга на виході схеми, показаної на малюнку вище, залишається змінним, оскільки змінюється за величиною Щоб усунути це зміна, на вихід випрямляча додається конденсатор Він має властивість накопичувати заряд і віддавати його в ланцюг навантаження У наступних розділах ми познайомимося ближче з конденсатором і індуктивністю, з змінним струмом і тими процесами, які в них відбуваються

А зараз додамо конденсатор в схему:

Рис 35 Робота випрямляча з конденсатором

Тепер напруга на резисторі навантаження R1 через деякий час встановлюється і не змінюється (майже не змінюється) за величиною А, значить, через навантаження протікає постійний струм

Якщо в попередній схемі був трансформатор, а джерело змінної напруги відповідав розетці побутової електричної мережі, де 220 В змінного напруги частоти

50 Гц, то в останній схемі я вторинну обмотку трансформатора замінив джерелом змінної ЕРС V1 Напруга на вторинній обмотці я задав 15 В (діюче значення, на що вказує параметр Vrms) Якщо виміряти вольтметром напругу, показане на екрані віртуального осцилографа, то воно виявиться не 15 В Чому так І про це ми поговоримо пізніше

Повернемося до блоку живлення Для його облаштування ми застосуємо мікросхему серії 7805 Це мікросхема стабілізатора напруги Якщо подивитися опис мікросхеми, то можна побачити схему включення:

Рис 36 Схема включення мікросхеми L7805

І прочитати, що на виході мікросхеми, позначено на малюнку Vo, виходить постійна напруга 5 В Але ми збиралися отримати від блоку живлення різні напруги в діапазоні від 5 до 15 вольт

Допоможе в цьому зміна схеми

                                                                      

Рис 37 Регульований блок живлення з мікросхеми стабілізатора напруги

На двох малюнках показано напруга на виході регулятора при крайніх положеннях движка змінного резистора Видно, що напруга на виході змінюється від 5 до 15 вольт Резистор R3

– Це резистор навантаження

Ще кращі результати можна отримати при використанні мікросхеми КР142ЕН22А Але, перш ніж починати щось паяти, до того, як ви почнете експерименти на макетної платі, і це було головним завданням, давайте уважніше розглянемо схему, використовуючи вже отримані знання

У першу чергу нас цікавить, який повинен бути резистор R1 Те, що його опір дорівнює 300 Ом, ми знаємо Але потрібно знати і допустиму потужність розсіювання Коли обидва резистора повністю включені, то струм через них мінімальний У цьому випадку напруга максимально і дорівнює 15 В Який же струм 15/800 = 18 мА На резистори R2 падає 10 В І потужність, розсіюючи на ньому, близько 02 Вт Потужність, що розсіюється на резистори R1 в цьому випадку, швидше за все менше, оскільки напруга на ньому зберігається рівним 5 В

У разі, коли движок змінного резистора знаходиться в іншому крайньому положенні, а величина опору змінного резистора дорівнює нулю, струм через резистор R1 визначається його величиною і напругою 5 У: 5/300 = 0016 А Струм ще менше, напруга менше, ніж було на резистори R2, а, значить, і потужність розсіювання менше 02 Вт Таким чином резистори R1 і R2 можна використовувати з потужністю розсіювання від 025 Вт і вище

Але не будемо забувати, що мікросхема U1 теж має активним опором, що на ній теж розсіюється потужність Ми поставили максимальний струм в навантаженні рівним 02 А Він буде протікати через мікросхему і при вихідному напрузі 15 В, і при напрузі 5 В Але ми знаємо, що напруга джерела живлення V1 (закон Кірхгофа) розподілиться на всіх включених в ланцюг елементах Частина цієї напруги буде падати на мікросхемі, а частина на опорі навантаження R3 (решта резистори підключені паралельно R3, тобто, на них те ж напруга) Коли на опорі навантаження 5 В, то що залишилися 13 В повинні падати на мікросхемі При цьому через неї протікає струм 02 А, якщо ми вибираємо такий вихідний струм А це означає, що на мікросхемі буде розсіюватися потужність 13 * 02 = 26 Вт у вигляді тепла У паспортних даних на мікросхему можна прочитати, що допустима потужність розсіювання для

неї становить не більше 1-16 Вт (мікросхема L7805 має вбудований обмежувач по розсіюваною потужності) без тепловідведення при нормальній температурі навколишнього середовища

Тепловідведення у найпростішому випадку являє собою пластину з металу (метал добре проводить і струм, і тепло) Чим більше поверхня пластини, тим більше тепла вона може розсіяти (до певних меж) З метою зменшення габаритів тепловідведення пластину можна зігнути у вигляді літери «П» Тепловідведення передає тепло, що виділяється мікросхемою (або транзистором), навколишньому повітрю, тому площа зіткнення відіграє визначальну роль Промислово виготовляються тепловідводи, радіатори, роблять ребристими або голчастими, отримуючи максимальну поверхню при мінімальних габаритах

Те, яку поверхню повинен мати тепловідвід при заданій потужності розсіювання, визначається або з таблиць, або розраховується Розрахунок ведеться з урахуванням перехідних теплових опорів від кристала до навколишнього середовища Для зменшення теплового опору між корпусом охолоджуваного елементу і радіатором місце установки ретельно шліфують і покривають теплопроводящей пастою Останнім часом для додаткового охолодження використовують вентилятори (кулери)

При розрахунку теплового режиму враховують кілька теплових опорів, які, подібно електричному опору, викликають падіння температури від кристала (про температуру якого ми піклуємося) до середовища Як і електричні опори, теплові, зєднані послідовно, сумуються Наприклад, в довідкових даних на мікросхему L7805 вказано сумарний опір від кристала до середи рівне 50 градусів / ват Додаючи температуру середовища 30 градусів, ми отримаємо 80 градусів / ват Тобто, при розсіюється 1 ват температура кристала 80 градусів, що прийнятно при максимально допустимій температурі 125 градусів Але вже при розсіюється 2 вати температура стає рівною 160 градусів З трьох доданків теплового опору: кристал-корпус, корпус-радіатор, радіатор-середу, – Ми можемо управляти тільки останнім, визначеним площею поверхні радіатора

Радіатор з площею поверхні близько 40 см2 можна виготовити з пластини алюмінію завтовшки 2 мм, з розмірами 3×7 см (враховуються обидві поверхні), зігнувши пластину буквою «П» Менші габарити матиме ребристий тепловідвід:

Рис 38 Ребристий тепловідвід

Розглянутий раніше блок живлення задовольнить вас на найближчий час при експериментах, описаних в наступних розділах, але надалі, швидше за все, вам буде потрібно більш потужний блок живлення, наприклад, на основі мікросхеми КР142ЕН22А Тому зараз немає сенсу доводити конструкцію до остаточного вигляду, можна залишити блок живлення в збірці на макетної платі Але в цьому випадку добре б обійтися без радіатора

Каменем спотикання служить розсіює мікросхемою потужність Як можна її зменшити Для правильної роботи мікросхеми стабілізатора на ньому має падати не менше 3 В Але при струмі 02 А розсіює потужність не перевищить 1 Вт Тому, використовуючи інший адаптер, ми можемо домогтися того, що різниця між напругою на вході (напругою на виході адаптера) і напругою на виході не перевищить 3 вольт

Рис 39 Адаптер з перемикається вихідною напругою

У цього адаптера вихідна напруга переключається: 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 12,0 В Навіть при використанні 12 В потужність розсіювання не перевищить 15 Вт (при струмі 02А) Правда, ми змінили діапазон стабілізованих напруг 5-9 В Але це не найбільша втрата, оскільки в багатьох випадках можна використовувати адаптер без стабілізатора

Оскільки ми змінили вимоги до блоку живлення, повернемося до схеми, щоб привести її в належний вигляд, визначити остаточні номінали елементів і додати ряд елементів схеми, які збільшать її надійність

Ось остаточна схема:

Рис 310 Остаточна схема

Конденсатори C1-C3 служать для зменшення «пульсацій» Якби ми ретельніше розглянули випрямлена напруга на виході адаптера, то побачили б, що ..

Рис 311 Пульсації на виході випрямляча

Амплітуда пульсацій на малюнку невелика, але із зростанням споживаного навантаженням струму ці пульсації зростають Для зменшення пульсацій застосовують конденсатори Чим більше ємність конденсатора, тим менше рівень пульсацій Але конденсатор на виході випрямляча дуже великої місткості може сам стати причиною виходу з ладу діодів Цей момент ми розглянемо в наступному розділі Найкраще рішення – використовувати ті номінали, що дано у довідкових даних мікросхеми, наведених виробником

Діоди D1-D2 на схемі стабілізатора оберігають мікросхему від появи негативних напруг при виключенні стабілізатора Через діоди конденсатори швидко розряджаються при вимиканні мережного адаптера

Конденсатори C1-C3 можуть бути електролітичними алюмінієвими 100мкФx16 В Разом з тим падіння напруги на конденсаторах C2 і C3 менше Якби це було критично, то слід взяти конденсатори з меншим робочим напругою, вони можуть виявитися менших габаритів

Корисно паралельно конденсатору C3 включити керамічний конденсатор ємністю 01 мкФ Змінний резистор R2 можна взяти такий:

Рис 312 Змінний резистор 200 Ом типу СП3-4АМ

А можна використовувати підлаштування резистор – не так часто ви будете змінювати напругу, а підлаштування резистор добре «впишеться» в конструкцію на макетної платі:

Рис 313 Підлаштування резистор 200 Ом типу СП3-19а

Для зручності зєднання стабілізатора з мережним адаптером використовуйте розєм:

Рис 314 Розєм живлення на плату

Для підключення до блоку живлення інших пристроїв, а даний блок живлення призначений для проведення експериментів, зручно використовувати два монтажних дроти різного кольору, запаяних в макетну плату

Мабуть, ми все обговорили і перевірили щодо схеми першого пристрою і деталей, які потрібно купити Можна приступити до реалізації першого проекту

Як і у випадку з принциповою схемою – перш ніж іти в магазин за покупками, ми розглянули всі аспекти роботи схеми – так і з макетної платою, перш ніж включати паяльник і починати пайку, ми розглянемо конструкцію пристрою

Візьміть макетну плату, встановіть на ній деталі так, щоб пристроєм було зручно користуватися:

Рис 315 Перша примірка макетної плати

Якщо не вважати положення підлаштування резистора і розєму, розташування інших деталей в даному випадку може бути довільним Іноді, все залежить від призначення пристрою, доводиться враховувати взаємний вплив елементів схеми, але не зараз

Тому після «першої примірки» спробуємо намалювати зєднання деталей відповідно до схеми

Це можна зробити різними шляхами Пізніше ми розглянемо, як скористатися можливостями компютера, а зараз використовуємо або графічний редактор, що досить зручно, або аркуш паперу й олівець, що досить звично Нижче виділені дроти, які перетинаються

Рис 316 Зєднання елементів схеми

При монтажі макета зручно використовувати довгі висновки резисторів і конденсаторів в якості монтажних проводів З іншого боку, якщо ви вирішите виміряти струм в ланцюзі при такому монтажі, то це важко буде зробити На малюнку вище досить багато сполук, які перетинаються У цьому випадку обовязково знадобиться монтажний провід Але, переміщаючи деталі на платі, можливо, вдасться уникнути цього Не поспішайте запаяти деталі Зробіть кілька варіантів розміщення, вибираючи найбільш вдалий Так, перемістивши діод D2 за мікросхему U1 перед конденсатором C1, ви уникнете перетину проводів Поруч з ним знайдеться місце і для

діода D1, і тоді дріт від конденсатора С3, який перш перетинав дріт від діода, залишиться вільним А розташувавши інакше резистор R1, його можна покласти вздовж кромки плати поверх проводів, що йдуть від конденсаторів C2 і C3, ви повністю уникнете перетину проводів

Така робота з розміщення елементів схеми не тільки створить ряд зручностей при пайку, не тільки буде запорукою надійної роботи пристрою, але дасть вам необхідний досвід монтажу, скорочуючи кількість помилок Помилки монтажу завжди неприємні Крім того, цей етап роботи досить цікавий сам по собі, щоб доставити вам задоволення Зробивши малюнок, ще раз уважно перевірте правильність зєднань в відповідності зі схемою Виробляючи пайку по малюнку, не забувайте поглядати на принципову схему, перевіряючи, які елементи зєднуються в даний момент

Багато починаючі радіоаматори вважають достатнім повторення готових схем Але далеко не завжди готові схеми мають хороший опис На принциповій схемі блоку живлення не показаний радіатор Якщо включити блок живлення, перевіряючи його роботу на максимальному струмі, то мікросхема, швидше за все, встигне згоріти, перш ніж ви помітите, що вона перегрівається А той факт, що стабілізатор L7805 виглядає як звичайний транзистор, не співвідноситься з внутрішнім змістом мікросхеми

Рис 317 Принципова схема L7805

Схема пристрою добре продумана і досить складна

Іноді готові схеми мають ненавмисні помилки Так, наприклад, якщо перевернути діод D1, то схема працювати не буде В описі роботи схеми, швидше за все, буде згадка про призначення діодів – запобігати поява негативної напруги – але як правильно потрібно включити діод .. тільки принципова схема може дати відповідь на це питання Ви вже знаєте, що при прямому включенні діода падіння напруги на ньому не більше 1 В І вас обовязково має насторожити, що діод включений в прямому напрямку на виході стабілізатора напруги з вихідним напругою 5 В

Джерело: Гололобов ВН, – Самовчитель гри на паяльнику (Про електроніці для школярів і не тільки), – Москва 2012