Глава 5. Устройства для школьной лаборатории радиолюбителя.

5.4 Двуполярные блоки питания

Для питания многих радиотехнических устройств требуется стабилизированный источник постоянного напряжения. Ниже будут приведены описания двух вариантов такого блока питания.

Схема первого варианта двуполярного блока питания показана на рис 109. Напряжения на обоих его плечах регулируются независимо в пределах 0... 12 В. Максимальный выходной ток блока питания равен 1 А. Коэффициент стабилизации по выходному напряжению не менее 2000, выходное сопротивление не более 0,01 Ом.

Принцип действия этого стабилизатора напряжения аналогичен рассмотренному выше, но имеется и существенное отличие. Оно

состоит в том, что оба ОУ питаются двуполярным напряжением. снимаемым с параметрических стабилизаторов VD2VD3R1 и VD4VD5R10. Благодаря такому включению ОУ напряжение на его выходе может изменяться от максимального отрицательного до максимального положительного значения. Это позволило обеспечить регулирование выходного напряжения обеих полярностей, начиная от 0 В. При питании ОУ однополярным напряжением, как это сделано в предыдущей схеме, минимальное значение выходного напряжения составит 2...4 В, а это ограничит возможности стабилизатора при наладке различных устройств.

Неинвертирующие входы обоих ОУ (выводы 5 микросхем) через резисторы R4 и R 11 соединены с общим проводом, поэтому на этих входах ОУ- нулевой потенциал. В процессе работы такой же потенциал поддерживается и на инвертирующих входах ОУ (выводы 4 микросхемы); напряжение на них подается через резисторы R2 и R13 с делителей напряжения R3R7 и R12R18. Изменением сопротивлений резисторов R7 и R 18 можно изменять выходное напряжение от минимального (движки резисторов в крайнем левом по схеме положении) до максимального (движки резисторов в крайнем правом по схеме положении).

Элементы VT3, R8, R9 и VT6, R16, R17 образуют систему защиты стабилизаторов от перегрузок по току. Рассмотрим работу системы защиты на примере верхнего (по схеме) плеча стабилизатора. Выходной ток стабилизатора, протекая через резистор R9, создает на нем падение напряжения. В зависимости от положения движка подстроечного резистора R8 при определенном значении выходного тока начинает открываться транзистор VT3, уменьшая напряжение между выходным плюсовым проводом и инвертирующим входом ОУ DA1. При этом составной транзистор VT1VT2 начинает закрываться, ограничивая тем самым выходной ток стабилизатора на определенном уровне.

При налаживании различных устройств, питаемых от такого блока, можно устанавливать различные токи ограничения.

Блок питания не боится и коротких замыканий, т. к. выходной ток каждого плеча также ограничивается системами защиты. Однако при длительном (несколько минут) коротком замыкании из-за перегрева могут выйти из строя регулирующие транзисторы VT2 и VT5.

Транзисторы VT2 и VT5 устанавливают на теплоотводящих радиаторах с охлаждающей поверхностью не менее 200 см^2. Помимо обозначенных на схеме транзисторов можно применять транзисторы типов КТ815, КТ817, КТ819, КТ803, КТ808, КТ903 с любыми буквенными индексами; в качестве VT4 можно рекомендовать КТ814, КТ816, КТ502, МП25, МП26 с любыми буквами; в качествеVT1 - КТ608, КТ602, КТ630, КТ503 с любыми буквами; VT3 и VT6 - любого типа на допустимое напряжение между коллектором и эмиттером не менее 25 В соответствующей структуры. Оксидные конденсаторы С1, СЗ, С4, С6 - К50-16; С2, С5 - типов КТ-2а, К10-7в;

подстроечные резисторы R8 и Р17-типов СП5-2, переменные R7 и R 18 - проволочные - типа ППБ-2А (можно применять и обычные углеродистые типов СП-1, СП-2, но срок их службы будет меньше). Номинальное значение сопротивления переменных резисторов может составлять 1...10 кОм, надо лишь помнить, что номиналы резисторов R3 и R7, R12 и R18 должны быть одинаковыми. Постоянные резисторы - типа МЛТ. Трансформатор Т1 намотан на ленточном магнитопроводе ШЛ 16х32. Обмотка I содержит 1320 витков провода ПЭВ-1 0,23, обмотка II - 210 витков провода ПЭВ-1 0,62 с отводом от середины.

Двуполярный блок питания собран на печатной плате (рис. 110). Налаживание двуполярного блока питания состоит в подборе резисторов R3 и R12 таким образом, чтобы при крайнем правом (по схеме) положении движков переменных резисторов R7 и R18 напряжения на выходах обоих плеч были бы максимальными и

составляли 12...13 В. Подстроечными резисторами R8 и R17 устанавливают необходимый ток ограничения.

Второй вариант двуполярного блока питания (рис. 111) отличается от рассмотренного выше более широким диапазоном выходных напряжений и токов нагрузки, а также большим КПД.

Напряжение каждого плеча регулируется в пределах 0... 35 В. Ток нагрузки может достигать 3 А. Коэффициент стабилизации по входному напряжению не менее 2000, выходное сопротивление не более 0,005 Ом. Амплитуда пульсации при максимальном токе нагрузки не превышает 5 мВ.

Принцип действия этого стабилизатора аналогичен рассмотренному выше, но имеются и отличия. Во-первых, использование усилителей напряжения на транзисторах VT1 и VT5 позволило получить выходное напряжение источника значительно большее, чем допустимое выходное напряжение операционного усилителя К553УД2 (оно составляет 10 В). Во-вторых, благодаря переключению выводов вторичных обмоток трансформатора в зависимости от значения выходного напряжения удалось уменьшить потери мощности на регулирующих транзисторах VT2, VT6, снизить их нагрев и повысить КПД устройства. Рассмотрим некоторые особенности источника питания. На транзисторах VT4 и VT8 выполнены стабилизаторы тока. Они обеспечивают протекание неизменного тока значением 10 мА через регулирующие транзисторы VT2 и VT6 при отсутствии внешней нагрузки; этот ток не зависит от выходного напряжения. Постоянная нагрузка на выходе стабилизатора предотвращает его возбуждение на высоких частотах.

На микросхемах DD1-DD3 выполнены шесть триггеров Шмитта, задающие пороги срабатывания электромагнитных реле К1-К6. Рассмотрим работу узла переключения обмоток на примере верхнего (по схеме) плеча источника питания. Основой узла являются три триггера Шмитта, выполненные на логических элементах микросхемы DD1. Порог срабатывания каждого собственно триггера при повышении напряжения составляет около 7 В, а гистерезис - около 1...1,5 В. Если напряжение на выходе 1 источника превышает порог срабатывания триггера, то срабатывают электромагнитные реле К1-КЗ. Реле К1 срабатывает при повышении выходного напряжения до 9 В, К2 - 18 В, КЗ - 27 В. Пороги срабатывания триггеров Шмитта подстраиваются с помощью делителей R23R24, R28R29, R33R34. Контакты реле К 1.1-КЗ. 1 подключают к мостовому выпрямителю VD1 большую или меньшую часть обмотки II трансформатора Т1. При этом падение напряжения на регулирующем транзисторе VT2 не превышает 14 В, а мощность - 40 Вт. Нетрудно подсчитать, что при отсутствии такого узла переключения выводов обмотки максимальное напряжение на регулирующем транзисторе достигало бы 35...40 В при мощности до 120 Вт. Таким образом, значительно снижены тепловые потери на регулирующих транзисторах, что улучшило тепловой режим источника. При необходимости эти потери можно

снизить еще, увеличив число триггеров Шмитта в каждом плече стабилизатора до 5-7.

Зависимость падения напряжения на регулирующем транзисторе Upт от выходного напряжения Uвых (регулировочная характеристика) показана на рис. 112.

Регулирующий узел нижнего (по схеме) .плеча источника работает аналогично, только для управления реле К4-К6 использованы транзисторы проводимости р-п-р типа.

Напряжение питания операционных усилителей, реле К1-К6 и цепей эталонного напряжения снимают с маломощного двуполярного стабилизированного .выпрямителя, выполненного на транзисторах VT10 и VT12. Поскольку характеристики этого стабилизатора (в частности, уровень пульсации) во многом определяют параметры источника питания в целом, стабилитроны VD8, VD9 питаются от стабилизаторов тока, выполненных на полевых транзисторах VT9 и VT11.

Составные транзисторы VT2, VT6 можно заменить парами транзисторов соответствующей проводимости. На рис. 113 показана схема аналога составного транзистора VT2. Аналогично заменяют и составной транзистор VT6, но используют транзисторы р-п-р типа (например, КТ816Г и КТ818Г). Конденсатор С1 может оказаться необходимым для устранения высокочастотного самовозбуждения.

Оксидные конденсаторы - типа К50-16 или К50-6, остальные -КМ-6, К10-23, К10-7В. Подстроечные резисторы R9, R19 - СП5-2, резисторы R8, R20 - С5-16МВ. Реле К1-К6 - РЭС-10 (паспорт РС4.524.302) или РЭС-34 (паспорт РС4.524.372). Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛМ40 х 50 (типовая мощность 270 Вт). Обмотка I содержит 525 витков провода ПЭВ-2 0,85; обмотки II и III - по 95 витков провода ПЭВ-2 1,32, отводы сделаны от 31, 54, 75-го витков, считая от верхних (по схеме) выводов обмоток; обмотка IV содержит 82 витка провода ПЭВ-2 0,31 с отводом от середины.

Транзисторы VT2 и VT6 установлены на радиаторы с охлаждающей поверхностью не менее 1000 см^2 каждый.

Налаживание источника питания начинают с установки тока, протекающего через светодиоды HL1, HL2, который должен составлять около 10 мА. Этого добиваются подборкой резисторов Rll, R22, при этом выходное напряжение может составлять 5...35 В. Затем производят настройку порогов срабатывания триггеров Шмитта. Переменным резистором Rl (R15) устанавливают выходное напряжение равным нулю, а затем его плавно увеличивают. Реле К1-КЗ должны срабатывать при напряжениях на выходе 1 источника 9,18 и 27 В соответственно. Добиваются этого подборкой резисторов R23, R28 и R33. Затем аналогично настраивают пороги срабатывания триггеров в другом плече источника. После этого, установив движки переменных резисторов Rl и R15 в верхнее (по схеме) положение, резисторами R3 и R14 устанавливают максимальное напряжение обоих плеч 35 В.

Желательно с помощью осциллографа проверить, не возбуждается ли источник питания, на высокой частоте. При наличии такого возбуждения следует подобрать конденсаторы С2, СЗ, С9, С10.

Поскольку выходное напряжение изменяют переменными резисторами, при установке напряжения к выходным зажимам следует подключать вольтметр. Если вместо переменных резисторов Rl, R15 применить магазин постоянных резисторов и переключатели типа

ПП10, имеющие оцифровку, выходное напряжение можно устанавливать переключателями без использования вольтметра.

При использовании трех переключателей шаг установки напряжения составит 0,1 В, что вполне достаточно для радиолюбительских целей. Схема показана на рис. 114. Общее сопротивление резисторов R1-R9, входящих в декады А1-АЗ, должно соответствовать сопротивлению переменных резисторов Rl и R15 и в данном случае равно примерно 10 ком. Поэтому сопротивления резисторов в декаде А1 составляют 3 кОм, в декаде А2 -

300 Ом, в декаде A3 - 30 Ом. При этом следует иметь в виду, что в декаде А1 используют только три резистора R1-R3, в декадах А2 и A3 - все девять резисторов.