Однополярный регулируемый источник питания 1

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Схема на рис. 9.11 представляет собой лабораторный источник питания, ко­торый, как я обещал вам еще в главе 2, можно изготовить самим. Взглянув на эту схему, вы можете сначала слегка растеряться — настолько вам покажется все незнакомо. На самом деле там есть только одна вещь, которую мы еще «не проходили»: микросхема операционного усилителя (ОУ) DA1. Подробно с ОУ мы будем знакомиться в главе 12, а сейчас нам важно только вот что: ОУ всегда стремится сделать так, чтобы потенциалы входов, обозначенных «плюс» и «минус», были равны. Эти входы эквивалентны входам дифферен­циального усилителя, у которого, как вы помните, потенциалы входов тоже связаны между собой (на самом деле внутри микросхемы на входе ОУ дейст­вительно стоит дифференциальный каскад). Для того чтобы это осуществля­лось на практике, ОУ включают с отрицательной обратной связью с выхода на тот вход, который обозначен знаком «минус». В данном случае такая связь осуществляется весьма заковыристым способом, и для того чтобы понять, как это происходит, давайте посмотрим на рис. 9.12, на котором изображена та же самая схема, но в предельно упрощенном варианте.

Предположим, что R1 и R2 на рис. 9.12 равны между собой. Какое напряже­ние будет на выходе, то есть на эмиттере транзистора VT1? Определить это очень просто. Если на «плюсовом» входе ОУ напряжение 1 В, как обозначено на схеме, то на минусовом тоже должен быть 1 В, как мы только что узнали. При каком условии это возможно? Только если на верхнем выводе R1, то есть на выходе всей системы, будет 2 В — ведь R1 и R2 делят это напряже­ние пополам. То есть ОУ автоматически установит на базе транзистора VT1 такое напряжение, чтобы на его эмиттере было ровно 2 В (можно даже дога­даться, какое именно — на 0,6 В больше, чем на выходе, то есть 2,6 В, для обычного, не дарлингтоновского, транзистора, но на самом деле это нас мало интересует). А если мы положим, что R1 в два раза больше, чем R2? Повто­рив предыдущие рассуждения, мы обнаружим, что на выходе должно быть 3 В. Отсюда можно вывести некоторую закономерность: система, показанная на рис. 9.12, усиливает напряжение, поданное на «плюсовой» вход, ровно в (R1/R2+ 1)раз.

Именно так и работает схема источника на рис. 9.11. Переключатель П1 име­ет 6 положений, в каждом из которых он изменяет соотношение делителя в обратной связи таким образом, чтобы при напряжении 1 В на «плюсовом» входе на выходе получался некий ряд фиксированных напряжений. При ука­занных в таблице номиналах резисторов R4— R10 этот ряд будет следую­щим: 3; 5; 7,5; 10; 12 и 15 В.

clip_image002

Рис. 9.11. Схема лабораторного источника питания

Этого достаточно для большинства наших нужд. Конечно, можно не возиться с переключателем и подбором сопротивлений, а просто поставить вместо це­почки R5—R9 переменный резистор, равный сумме этих сопротивлений, по схеме потенциометра — эффект будет таким же, только напряжение будет меняться плавно от 3 до 15 В. Однако иметь набор фиксированных напряже­ний намного удобнее — тут вы имеете точно известное напряжение, а при плавной регулировке его каждый раз придется подгонять по вольтметру. Конечно, бывают изредка случаи, когда нужно иметь напряжение, скажем, 4,75 вольта, но на этот случай лучше иметь отдельный плавно регулируемый источник.

Делитель можно устроить совершенно по-разному— возьмите переключа­тель на 12 положений— получите переключение через 1 В. Пересчитать но­миналы резисторов из описанного ранее общего соотношения несложно: так, если хочется вместо 10 В в приведенном ряду иметь 9 В, то номинал R8 сле­дует увеличить до 224 Ом, а R7 — уменьшить до 205 Ом (при этом сумма сохранится, и остальные напряжения не изменятся). Можно добавить пере­менный резистор и плавно регулировать напряжение внутри каждого фикси­рованного диапазона. (Подумайте, как это сделать? Подсказка: переключа­тель должен быть на два направления.) Отметим, в принципе в этой схеме применять прецизионные резисторы С2-29В совершенно необязательно — не те точности требуются. Поэтому можно нужные номиналы просто подобрать из набора обычных, стараясь выдержать их как можно ближе к расчетным. Можно также весь расчетный ряд умножить или поделить на любое число, лишь бы все значения изменились в одинаковой степени.

clip_image004

Рис. 9.12. Упрощенная схема лабораторного источника питания

Границы, которыми следует при этом руководствоваться это нижний пре­дел суммы всех резисторов в 1—2 кОм, а верхний — в пару десятков кОм.

Теперь перейдем к подробному рассмотрению остальных, вспомогательных узлов схемы. Монструозная конструкция с полевым транзистором наверху на самом деле всего лишь узел, который позволяет получить стабильное опор­ное напряжение ровно IB — от его стабильности точность шкалы выходных напряжений зависит напрямую.

В педагогических целях рассмотрим подробнее, как работает такая древняя схема. Полевой «-канальный транзистор VT1 включен источником тока, из­вестным нам из главы б — когда потенциалы затвора и истока равны, то ток сток-исток мало зависит от напряжения на стоке. Этот ток питает прецизион­ный стабилитрон VD1 типа КС818Е, напряжение которого мало зависит от температуры (но очень даже зависит от тока). Если будете искать замену транзистору VT1, то в первую очередь надо смотреть на параметр, который называется «начальный ток стока» — именно такой ток будет протекать че­рез стабилитрон в этой схеме, а стабилитрон Д818Е хорошо работает доволь­но в узком диапазоне токов — не менее 5 и не более 15 мА. Напряжение ста­билизации стабилитрона равно 9 В, поэтому оно подается на делитель, составленный из большего постоянного (R1) и меньшего подстроечного (R2) резистора «под отвертку», с движка которого и снимается напряжение, рав­ное 1 В.

Вместо всей этой конструкции, конечно, можно поставить небольшую мик­росхему — источник опорного напряжения, или просто любой стабилизатор из серии LM, только сопротивление R1 придется пересчитать так, чтобы в среднем положении движка R2 на нем сохранилось около 1 В. Потенциомет­ром этим можно плавно менять всю шкалу напряжений на выходе (но до оп­ределенного предела, ограниченного как снизу, так и сверху). Разумеется, эту цепочку вполне можно заменить двумя постоянными резисторами.

Теперь перейдем к транзистору VT3 вкупе с резистором R3. Эта простая и остроумная конструкция выполняет важнейшую функцию — она ограничи­вает выходной ток. Как это происходит? Обратите внимание, что весь вы­ходной ток протекает через резистор R3, номинальное значение которого всего 0,3 Ом. В нормальном состоянии (например, на холостом ходу) падение напряжения на этом резисторе мало, поэтому транзистор VT3 закрыт и весь этот кусок не оказывает никакого влияния на работу схемы. Когда же выход­ной ток достигает значения примерно 2 А, падение напряжения на нем дости­гает сакраментальных 0,6 В, транзистор VT3 приоткрывается и начинает шунтировать переход база-эмиттер силового транзистора VT2, призакрывая его. В результате схема приходит в равновесие — если бы VT3 приоткрылся еще больше, закрывая силовой транзистор, выходной ток бы упал, падение напряжения на R3 бы уменьшилось, VT3 бы призакрылся, ну и т. д. — и все застьшает на уровне 2 А выходного тока, даже при коротком замыкании на выходе! Как только избыточная нагрузка на выходе будет снята, схема авто­матически вернется в нормальный режим. Если вместо резистора R3 поста­вить переключатель с набором сопротивлений, то можно регулировать уро­вень стабилизации выходного тока. Так, набор резисторов 0,3; 0,6; 1,2; 2,4; 6 и 62 Ом дадут ряд ограничений тока на уровне 2; 1; 0,5, 0,25 А, 100 и 10 мА.

Кстати, к следящему транзистору VT3 никаких требований не предъявляет­ся — то есть вообще никаких, здесь может быть использован любой крем­ниевый транзистор, только он должен быть маломощный (чтобы не шунти­ровать силовой транзистор токами утечки) и не составной по схеме Дарлингтона. А вот силовой транзистор, наоборот, должен быть именно дар­лингтоновский, с «супербетой». ^

В этой схеме есть одно, однако большое НО. Заключается оно в том, что при коротком замыкании ий выходе все напряжение питания будет падать на пе­реходе коллектор-эмиттер транзистора VT2— ему больше просто некуда деваться. То есть выделяющаяся мощность на VT2 составит аж целых 40 Вт! И в нормальном режиме при маленьких установленных выходных напряже­ниях (3 или 5 В) и максимальной нагрузке эта мощность будет практически такой же. В этом и заключается главный недостаток данной схемы, общий для всех линейных стабилизаторов — крайне низкий КПД.

Есть, впрочем, немало способов этот КПД повысить. Продаю идею простей­шего из них, который годится именно для стабилизатора с дискретным набо­ром вьцодных напряжений: надо взять трансформатор нестабилизированно­го источника, от которого питается вся эта схема, с несколькими обмотками на разное напряжение, а к переключателю делителя добавить еще одно на­правление переключения так, чтобы при снижении напряжения на выходе напряжение питания стабилизатора также снижалось (с учетом того, что ми­нимальный перепад между входом и выходом здесь должен составить не ме­нее 4—5 В, а если используется стабилитрон, как на рис. 9.11, то напряжение на входе должно быть не меньше 12 В). Есть и более изощренные способы — скажем, регулировать действующее значение выпрямленного пульсирующе­го напряжения перед фильтром с помощью тиристорного моста. Но в таком случае схема настолько усложняется, что проще просто взять и построить импульсный источник.

И в заключение несколько слов про основного нашего героя — операцион­ный усилитель. Здесь указан классический ОУ типа |iA741, который вы­пускается уже много десятков лет, и приведена нумерация выводов (цоко-левка) для него. У него есть и отечественный аналог— КР140УД7 (учтите на будущее, что отечественные аналоги западных микросхем не всегда имеют ту же цоколевку, так что это на всякий случай надо проверять). Во­обще же здесь можно применить почти любой ОУ широкого применения с надлежащим допустимым питанием — но эти подробности мы будем раз­бирать уже в главе 12.

В заключение этой темы — два слова о регулируемом двухполярном лабора­торном источнике. Нет никакого смысла изобретать его специально — надо просто взять два одинаковых однополярных источника, разместить их в од­ном корпусе (и даже запитать их от одного трансформатора, но обязательно от разных вторичных обмоток), и вывести наружу все четыре выходные клеммы по отдельности. Соединяя «плюс» одного источника с «минусом» другого перемычкой, вы получаете общую «землю» двуполярного источника, убирая перемычку — имеете два раздельных однополярных.

1 комментарий

  1. Алексей says:

    Ревич – Занимательная электроника…

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты