Интернет журныл о промышленности в Украине

Регульований біполярний джерело живлення

  1. Вибір схеми двополярного джерела живлення
  2. Підбір компонентів
  3. виготовлення пристрою
  4. Випробування зібраного пристрою

Про те, що таке двухполярной харчування - написані цілі трактати, від 2 абзаців до статті довгою в 40 листів, тому ми не будемо розписувати тут ці подробиці, відзначимо лише найважливіші моменти. Даний тип харчування найчастіше застосовується вимірювальної техніки і різної аналогової апаратури, особливо в аудіо і відео - причина цього досить проста: багато сигналів, які треба вимірювати і обробляти мають не тільки позитивне значення, а й негативне, відповідно до породжує їх неелектричним фізичним явищем . Яскравим прикладом такого явища є звукові хвилі, які розгойдують мембрану динамічного мікрофона, породжуючи в котушці струм, напрямок якого є визначення становища цієї самої мембрани щодо точки спокою. Отже, схема обробки такого сигналу повинна нормально працювати при будь-якому знаку напруги на вході. Таких схем реалізовано безліч, але багатьом з них потрібно двухполярной харчування.

Знову ж таки, існує величезна кількість всіляких схем для отримання двополярного харчування - від примітивних, до вельми нестандартних, що використовують абсолютно неочевидні схемотехнічні рішення. Розглядати переваги абстрактних схем і рішень, вних застосованих, можна нескінченно довго, а найкращого варіанту просто не існує, тому що в кожному конкретному випадку існують певні вимоги (в тому числі і наявність необхідних компонентів на поточний момент часу), які і визначають кінцевий варіант складання пристрою.

Вибір схеми двополярного джерела живлення

З урахуванням вищевикладеного, зберемо невеликий регульований стабілізований біполярний джерело живлення для використання в лабораторних умовах при налагодженні малопотужних підсилювачів низької частоти , Вимірювальних схем, що містять в собі операційні підсилювачі, і інших пристроїв, з тих чи інших причин потребують двополярного харчування. Додамо, що дане джерело повинен мати низький рівень власних шумів і як можна більш низьку пульсацію вихідного напруги. Додатково потрібно, щоб він був досить надійним і міг пережити підключення до нього некоректно зібраного пристрою. Також хотілося б зробити його у вигляді універсального модуля, який можна було б використовувати для швидкого макетування нових конструкцій або тимчасово встановити його в пристрій, для якого ще не виготовлений остаточний варіант блоку живлення. Визначивши ТЗ можна перейти до підбору схеми майбутнього устрою.

Всі схеми перетворювачів однополярного харчування в двухполярной, на зразок наведених на Рис. 1, ми не розглядаємо, тому що їх застосування можливе лише з суворо певним навантаженням. Так, наприклад, в разі виникнення короткого замикання в ланцюзі, підключеної до одного з плечей - виникне непередбачуваний перекіс напруг або струмів, який в свою чергу може привести до виходу з ладу і джерела, і досліджуваної схеми.

Мал. 1 - Непридатні схеми перетворювачів

Відмінна схема перетворення однополярного харчування в двухполярной, але, на жаль, без регулювання вихідної напруги приведена в журналі «Радіоаматор» № 6 за 1999 рік:

Мал. 2 - Схема перетворення однополярного харчування в двухполярной без регулювання вихідної напруги

В екстрених випадках можна сміливо рекомендувати її до повторення, але для нашої задачі вона не підходить.

Відразу ж відкинемо ідею простого імпульсного джерела, тому що при використанні найпростіших схем, які містять мінімальний набір компонентів - джерело виходить дуже гучним, тобто на виході у нього є досить багато шумів і різного рада перешкод, від яких не так-то просто позбутися.

Мал. 3 - Схема з книги «500 схем для радіоаматорів. Джерела живлення », автор А.П. сім'я

При цьому для харчування УНЧ на мікросхемі TDA - це відмінний варіант, а от для мікрофонного підсилювача з великим коефіцієнтом посилення - вже не дуже. До того ж, все одно доведеться робити окремі вузли стабілізації і захисту від короткого замикання. Хоча, якби нам був потрібний джерело потужністю від 150 Вт і більше - побудова імпульсного блоку живлення з регулюванням, хорошою фільтрацією і вбудованим захистом стало б чудовим, та до того ж економічно вигідним рішенням.

Найпростішим і надійним рішенням для нашої задачі буде використання трансформатора потужністю близько 30 Вт з двома обмотками або обмоткою з відведенням від середньої точки. Дані трансформатори широко поширені на ринку, їх легко знайти в віджила свій вік апаратурі, а в крайньому випадку завжди можна домотать додаткову обмотку на наявний в даний момент в наявності.

Мал. 4 - Трансформатори

Так як нам потрібен стабілізований джерело, то відповідно після трансформатора і діодного моста нам потрібен якийсь регульований блок стабілізації напруги з захистом від короткого замикання (хоча захист від замикання можна додати і після).

Наступним кроком бракуємо всі варіанти стабілізаторів, зібрані на дискретних елементах і складаються з величезного числа деталей, як занадто складні для поставленого завдання. До того ж, в переважній більшості випадків вони вимагають ретельної настройки з підбором деяких елементів.

Мал. 5 - Стабілізатор, зібраний на дискретних елементах

Найбільш простим рішенням у нашому випадку буде використання регульованих лінійних стабілізаторів, таких як LM317 . Відразу ж хочеться застерегти від докорінно невірною ідеї використання двох позитивних стабілізаторів, включених як показано нижче. Дана схема, хоча і може працювати - функціонує некоректно і нестабільно!

Мал. 6 - Схема з використанням двох позитивних стабілізаторів

Відповідно, доведеться використовувати «комплементарний» регульований стабілізатор LM337 . Плюсом обох стабілізаторів є вбудований захист від перегріву і короткого замикання на виході, а також проста схема включення і відсутність необхідності в налаштуванні. Підглянути типову схему включення даних стабілізаторів можна в даташіте від виробника:

Мал. 7 - Типова схема включення стабілізаторів LM337

Трохи допрацювавши її, отримаємо підсумковий варіант модуля регульованого двополярного джерела живлення, збирати який ми будемо за такою схемою:

Мал. 8 - Схема модуля регульованого двополярного джерела живлення

Схема здається складною через те, що ми відзначили на ній всі рекомендовані деталі обв'язки, а саме шунтуючі конденсатори і діоди, службовці для розряду ємностей. Щоб переконатися в необхідності установки більшості з них - можна знову звернутися до даташіту:

Мал. 9 - Схема обв'язки з datasheet

Ми додали ще кілька елементів, щоб ще більше захистити наш стабілізатор і максимально згладити всі пульсації і викиди напруги на виході.

Для спрощення виготовлення, а саме - зменшення кількості операцій, необхідних для складання застосуємо технологію поверхневого монтажу, тобто всі деталі в нашій конструкції будуть SMD. Ще одним важливим моментом буде той факт, що в нашому модулів не буде мережевого трансформатора, його ми зробимо підключається. Причина криється в тому, що при великій різниці між живильних та вихідним напругою, і роботі з максимальним струмом, різницю між підводиться і віддається в навантаження потужностями необхідно розсіювати на регулюючих елементах нашої схеми, а конкретно - на інтегральних регуляторах. Максимальна потужність, що розсіюється для таких стабілізаторів і так невелика, а при використанні SMD-корпусів стає ще менше, і в результаті максимальний струм подібного стабілізатора, що працює з різницею між вхідним і вихідним напругами в 20 В, легко може опуститися до 100 mA, а цього для наших завдань вже недостатньо. Вирішити цю проблему можна зменшивши різницю між цими напругами, наприклад, підключивши трансформатор з напругою вторинних обмоток найбільш близькими до того, що потрібно в даний момент.

Підбір компонентів

Одним із складних моментів реалізації нашої ідеї раптово виявився підбір інтегральних стабілізаторів в потрібному корпусі. Незважаючи на те, що мені було достеменно відомо про їхнє існування у всіх можливих SMD-корпусах, перегляд даташітов різних виробників не дозволяв знайти точної маркування, а пошук по параметрам у кількох глобальних постачальників показував лише окремі варіанти, і найчастіше різних виробників. У підсумку, шукана комбінація в корпусах SOT-223, до того ж з однієї серії, виявилася на сайті Texas Instruments: LM337IMP і LM317EM:

Мал. 10 - І нтегральние стабілізатори LM337IMP і LM317EM

Варто відзначити, що різних пар, що складаються з різнополярних стабілізаторів напруги можна підібрати безліч, однак виробником рекомендована пара з стабілізаторів однієї серії. Обидва стабілізатора забезпечують максимальний струм до 1 A при різниці між вхідним і вихідним напругою до 15 В включно, однак номінальним струмом, при якому стабілізатор гарантовано не йде на захист від перегріву можна вважати 0,5-0,8 А. Тока в 500 mA в тих додатках, для яких ми будуємо даний стабілізатор більш ніж достатньо, тому будемо вважати завдання по підбору стабілізаторів виконаною.

Перейдемо до інших компонентів.

Діодний міст - будь-який, з номінальним струмом 1-2 А. на напругу не менше 50 В, ми використовували DB155S.

Електролітичні конденсатори в даній схемі застосовні практично будь-які, з невеликим запасом по напрузі. Підбір здійснюється виходячи з таких міркувань: так як розмах напруги живлення, яке нам потрібно не перевищує 15 В, а рекомендований максимум для стабілізаторів становить 20 В - конденсатори на 25 В мають запас мінімум в 25%. Всі електролітичні конденсатори необхідно зашунтувати плівковими або керамічними з номіналами згідно схеми, на напругу не менше 25 В. Ми використовували типорозмір 0805 і тип діелектрика X7R (можна застосувати NP0, а Z5U або Y5V - не рекомендуються через погані ТКС і ТКЕ, хоча в відсутність альтернативи - підійдуть і такі).

Резистори постійного номіналу - будь-які, в дільнику напруги, що відповідає за напруга стабілізації краще застосувати більш точні, з допуском в 1%. Типорозмір всіх резисторів -1206, виключно для зручності монтажу, проте можна сміливо застосовувати 0805. Подстроєчний резистор номіналом в 100 Ом - багатооборотний, для точного регулювання (використовується 3224W-1-101E). Резистор, що застосовується для регулювання вихідної напруги - номіналом в 5 КОм, будь-який наявний, ми взяли 3314G-1-502E під викрутку, але можна застосувати і змінний резистор для монтажу на корпус, з'єднавши його з платою стабілізатора проводами. Діоди бажано застосовувати швидкодіючі, на струм не менше 1 А і напруга від 50 В, наприклад HS1D.

Світлодіодний індикатор включення розрахований за наступним принципом: струм через стабілітрон при найбільшому напрузі на вході не повинен перевищити 40 mA, при подачі на вхід напруги до 30 В, номінал струмообмежувального резистора буде дорівнює 750 Ом, для надійності краще застосувати 820 Ом. Подавати на стабілізатори напруги менше ніж 8 В на плече безглуздо (тому що у внутрішній структурі мікросхеми присутні стабілітрони на 6,3 В), таким чином при напрузі в 16 В струм через стабілітрон буде складати 20 mA, а через підключений паралельно йому світлодіод - близько 8 mA, чого буде достатньо для світіння SMD-світлодіоди. Стабілітрон будь-хто, на напругу стабілізації 3,3 В (застосований DL4728A), і відповідно струмообмежуючі резистор для світлодіода в 150 Ом для забезпечення його тривалої роботи при максимальному струмі через стабілітрон.

виготовлення пристрою

Малюємо друковану плату нашого пристрою, особливу увагу звертаючи на контактні площадки для великих SMD-конденсаторів. З ними може виникнути наступне утруднення - базово вони призначені для пайки в печі, тобто припаяти їх знизу, особливо малопотужним паяльником досить складно, однак висновки конденсатора доступні збоку і можна міцно припаяти його за умови, що товщина відповідних до нього доріжок буде достатньою для забезпечення механічної міцності з'єднання. Також, важливим є той факт, що позитивний і негативний стабілізатори мають різну цоколевку, тобто просто отзеркалить одну половину друкованої плати при розведенні не вийде.

Малюнок друкованої плати переносимо на попередньо підготовлений шматок фольгованого склотекстоліти, і відправляємо його труїтися в розчин персульфата амонію (або іншого подібного реагенту на ваш вибір).

Мал. 12 - Плата з перенесеним малюнком + травілка

Після того як плата була витравлена, видаляємо захисне покриття і наносимо на доріжки флюс , Лудимо їх для захисту міді від окислення, після чого починаємо припаювати компоненти, починаючи з найменшого по висоті. Особливих проблем виникнути не повинно, а до можливих труднощів з SMD-електролітами ми підготувалися заздалегідь.

Мал. 13 - Плата після травілкі + наносимо флюс + лудіння

Після того як всі компоненти припаяні, а плата омита від флюсу необхідно підлаштування резистором в 100 Ом відрегулювати напругу на негативному плечі, щоб воно збіглося з напругою на позитивному плечі.

Мал. 14 - Готова плата

Мал. 15 - Регулювання напруги на негативному плечі

Випробування зібраного пристрою

Підключимо до нашого стабілізатора трансформатор і спробуємо навантажити обидва його плеча, і кожне з плечей незалежно один від одного, попутно контролюючи струми і напруга на виходах.

Мал. 16 - Перший вимір

Після декількох спроб провести вимірювання на максимальному струмі, стало зрозуміло, що малесенький трансформатор не в змозі забезпечити струм в 1,5 А, і напруга на ньому просідає більше ніж на 0,5 В, тому схема була переключена на лабораторний джерело живлення, що забезпечує струм до 5 А.

Все працює в штатному режимі. Даний регульований біполярний джерело живлення, зібраний з якісних компонентів, завдяки своїй простоті і універсальності, займе гідне місце в домашній лабораторії або невеликий ремонтної майстерні.

Вимірювання та пуско-налагоджувальні роботи проводилися на базі випробувальної лабораторії АТ «КППС» , За що їм окрема подяка!

Регульований біполярний блок живлення