Блок питания – для новичков в радиоделе

May 25, 2014 by admin Комментировать »

Почему блок питания Хорошее питающее напряжение очень важно при любых экспериментах с электрическими цепями, равно как и при сборке устройства по готовой схеме Проблемы с питанием могут сильно сказаться на работе устройства, поэтому блок питания, пусть на первом этапе не столь «крутой», окажется полезен в дальнейшем Поначалу я предлагаю умерить требования к блоку питания и выполнить его со следующими параметрами: регулируемое напряжение 5-15 В, допустимый ток 200 мА

Что нам потребуется для этого устройства: кусок макетной платы, микросхема стабилизатора напряжения 7805, нестабилизированный сетевой адаптер с параметрами, скажем, 18 В и 1 А Кроме того понадобится переменный резистор, обычные резисторы и некоторые конденсаторы, номиналы которых мы определим, проводя эксперименты за компьютером Возможно, понадобятся некоторые разъемы Цель этой первой работы – узнать, как устроен блок питания, попутно собрав полезное устройство

Если финансы вам позволяют к этому набору можно добавить модуль вольтметра:

Рис 31 Цифровой вольтметр

Но это не обязательно Можно выходное напряжение измерять мультиметром Ничуть не хуже В качестве сетевого адаптера можно использовать БПН18-07:

Рис 32 Сетевой адаптер на 18 В

Микросхема стабилизатора напряжения выглядит как обычный мощный транзистор:

Рис 33 Микросхема стабилизатора напряжения

Хотя сетевой адаптер мы используем готовый, рассмотрим, как он устроен Вероятнее всего он имеет трансформатор и выпрямитель

Работа трансформатора основана на том, что при протекании переменного тока по катушке индуктивности вокруг неё появляется электромагнитное поле, которое может взаимодействовать с расположенной рядом другой катушкой, наводя в ней ЭДС Для усиления эффекта связи между катушками, их наматывают на общем сердечнике Ш-образной или О-образной формы первую катушку наматывают на каркасе и называют первичной обмоткой, вторую катушку очень часто наматывают поверх первой и называют вторичной обмоткой (хотя она может располагаться и на другом каркасе) Величина наведённой ЭДС вторичной обмотки зависит в первую очередь от соотношения количества витков первичной и вторичной обмоток Если количество витков вторичной обмотки больше, чем первичной, то трансформатор получается повышающим, иначе понижающим

В адаптере, о котором идёт речь, трансформатор понижающий Расчёт трансформатора достаточно сложен, но основные  моменты таковы: мы определяем выходные параметры трансформатора, которые зависят от наших нужд, это напряжение и ток выходной обмотки Они определяют требуемую мощность вторичной обмотки, по которой определяется входная мощность с учётом коэффициента полезного действия трансформатора КПД трансформатора имеет разное значение для трансформаторов разной мощности и конструкции По вычисленной

мощности первичной обмотки можно выбрать, с учётом характеристик сердечника, его размеры также можно определить ток в первичной обмотке Ток первичной и вторичной обмоток определяет диаметр провода, которым наматываются катушки трансформатора Обычно это медный провод в эмалевой изоляции Но при намотке обмоток для создания электрической прочности слои намотанного провода изолируют дополнительными прокладками из специальной бумаги Определив количество витков первичной и вторичной обмоток и диаметр провода, проводят расчёт, который показывает, уместятся ли обмотки в окне железного сердечника на каркасе Если нет, то выбирают сердечник большего размера

Для выпрямителя адаптера, как правило, выбирают мостовую схему Эта схема позволяет использовать не один полупериод выпрямленного напряжения, а оба Вот как это выглядит:

Рис 34 Работа сетевого адаптера

Сравнивая с рисунком, где показана работа диода в качестве выпрямителя, вы видите разницу: на сопротивлении нагрузки выпрямителя R1 видны обе полуволны выпрямленного напряжения

Но, если у вас есть осциллограф, которым вы умеете пользоваться, и если вы подключите осциллограф к выходу сетевого адаптера, вы не увидите никаких полуволн Опять не соответствие программы и реальности В данном случае нет

Мы говорили, что после выпрямления переменного напряжения мы не получаем ещё постоянное напряжение, напряжение на выходе схемы, показанной на рисунке выше, остаётся переменным, поскольку меняется по величине Чтобы устранить это изменение, на выход выпрямителя добавляется конденсатор Он имеет свойство накапливать заряд и отдавать его в цепь нагрузки В следующих главах мы познакомимся ближе с конденсатором и индуктивностью, с переменным током и теми процессами, которые в них происходят

А сейчас добавим конденсатор в схему:

Рис 35 Работа выпрямителя с конденсатором

Теперь напряжение на резисторе нагрузки R1 через некоторое время устанавливается и не меняется (почти не меняется) по величине А, значит, через нагрузку протекает постоянный ток

Если в предыдущей схеме был трансформатор, а источник переменного напряжения соответствовал розетке бытовой электрической сети, где 220 В переменного напряжения частоты

50 Гц, то в последней схеме я вторичную обмотку трансформатора заменил источником переменной ЭДС V1 Напряжение на вторичной обмотке я задал 15 В (действующее значение, на что указывает параметр Vrms) Если измерить вольтметром напряжение, показанное на экране виртуального осциллографа, то оно окажется не 15 В Почему так И об этом мы поговорим позже

Вернёмся к блоку питания Для его обустройства мы применим микросхему серии 7805 Это микросхема стабилизатора напряжения Если посмотреть описание микросхемы, то можно увидеть схему включения:

Рис 36 Схема включения микросхемы L7805

И прочитать, что на выходе микросхемы, обозначено на рисунке Vo, получается постоянное напряжение 5 В Но мы собирались получить от блока питания разные напряжения в диапазоне от 5 до 15 вольт

Поможет в этом изменение схемы включения

                                                                      

Рис 37 Регулируемый блок питания из микросхемы стабилизатора напряжения

На двух рисунках показано напряжение на выходе регулятора при крайних положениях движка переменного резистора Видно, что напряжение на выходе меняется от 5 до 15 вольт Резистор R3

– это резистор нагрузки

Ещё лучшие результаты можно получить при использовании микросхемы КР142ЕН22А Но, прежде чем начинать что-то паять, до того, как вы начнёте эксперименты на макетной плате, и это было главной задачей, давайте внимательнее рассмотрим схему, используя уже полученные знания

В первую очередь нас интересует, какой должен быть резистор R1 То, что его сопротивление равно 300 Ом, мы знаем Но нужно знать и допустимую мощность рассеивания Когда оба резистора полностью включены, то ток через них минимальный В этом случае напряжение максимально и равно 15 В Каков же ток 15/800 = 18 мА На резисторе R2 падает 10 В И мощность, рассеивая на нём, около 02 Вт Мощность, рассеиваемая на резисторе  R1 в этом случае, скорее всего меньше, поскольку напряжение на нём сохраняется равным 5 В

В случае, когда движок переменного резистора находится в другом крайнем положении, а величина сопротивления переменного резистора равна нулю, ток через резистор R1 определяется его величиной и напряжением 5 В: 5/300 = 0016 А Ток ещё меньше, напряжение меньше, чем было на резисторе R2, а, значит, и мощность рассеивания меньше 02 Вт Таким образом резисторы R1 и R2 можно использовать с мощностью рассеивания от 025 Вт и выше

Но не будем забывать, что микросхема U1 тоже обладает активным сопротивлением, что на ней тоже рассеивается мощность Мы задали максимальный ток в нагрузке равным 02 А Он будет протекать через микросхему и при выходном напряжении 15 В, и при напряжении 5 В Но мы знаем, что напряжение источника питания V1 (закон Кирхгофа) распределится на всех включённых в цепь элементах Часть этого напряжения будет падать на микросхеме, а часть на сопротивлении нагрузки R3 (остальные резисторы подключены параллельно R3, то есть, на них то  же напряжение) Когда на сопротивлении нагрузки 5 В, то оставшиеся 13 В должны падать на микросхеме При этом через неё протекает ток 02 А, если мы выбираем такой выходной ток А это означает, что на микросхеме будет рассеиваться мощность 13*02 = 26 Вт в виде тепла В паспортных данных на микросхему можно прочесть, что допустимая мощность рассеивания для

неё составляет не более 1-16 Вт (микросхема L7805 имеет встроенный ограничитель по рассеиваемой мощности) без теплоотвода при нормальной температуре окружающей среды

Теплоотвод в простейшем случае представляет собой пластину из металла (металл хорошо проводит и ток, и тепло) Чем больше поверхность пластины, тем больше тепла она может рассеять (до определённых пределов) С целью уменьшения габаритов теплоотвода пластину можно согнуть в виде буквы «П» Теплоотвод передаёт тепло, выделяемое микросхемой (или транзистором), окружающему воздуху, поэтому площадь соприкосновения играет определяющую роль Промышленно изготавливаемые теплоотводы, радиаторы, делают ребристыми или игольчатыми, получая максимальную поверхность при минимальных габаритах

То, какую поверхность должен иметь теплоотвод при заданной мощности рассеивания, определяется либо из таблиц, либо рассчитывается Расчёт ведётся с учётом переходных тепловых сопротивлений от кристалла до окружающей среды Для уменьшения теплового сопротивления между корпусом охлаждаемого элемента и радиатором место установки тщательно шлифуют и покрывают теплопроводящей пастой В последнее время для дополнительного охлаждения используют вентиляторы (кулеры)

При расчёте теплового режима учитывают несколько тепловых сопротивлений, которые, подобно электрическому сопротивлению, вызывают падение температуры от кристалла (о  температуре которого мы заботимся) до среды Как и электрические сопротивления, тепловые, соединённые последовательно, суммируются Например, в справочных данных на микросхему L7805 указано суммарное сопротивление от кристалла до среды равное 50 градусов/ватт Прибавляя температуру среды 30 градусов, мы получим 80 градусов/ватт То есть, при рассеиваемой мощности 1 ватт температура кристалла 80 градусов, что приемлемо при максимально допустимой температуре 125 градусов Но уже при рассеиваемой мощности 2 ватта температура становится равной 160 градусов Из трёх слагаемых теплового сопротивления: кристалл-корпус, корпус-радиатор, радиатор-среда, – мы можем управлять только последним, определяемым площадью поверхности радиатора

Радиатор с площадью поверхности около 40 см2 можно изготовить из пластины алюминия толщиной 2 мм, с размерами 3×7 см (учитываются обе поверхности), согнув пластину буквой «П» Меньшие габариты будет иметь ребристый теплоотвод:

Рис 38 Ребристый теплоотвод

Рассмотренный ранее блок питания удовлетворит вас на ближайшее время при экспериментах, описанных в следующих главах, но в дальнейшем, скорее всего, вам потребуется более мощный блок питания, например, на основе микросхемы КР142ЕН22А Поэтому сейчас нет смысла доводить конструкцию до окончательного вида, можно оставить блок питания в сборке на макетной плате Но в этом случае хорошо бы обойтись без радиатора

Камнем преткновения служит рассеиваемая микросхемой мощность Как можно её уменьшить Для правильной работы микросхемы стабилизатора на нем должно падать не менее 3 В Но при токе 02 А рассеиваемая мощность не превысит 1 Вт Поэтому, используя другой адаптер, мы можем добиться того, что разница между напряжением на входе (напряжением на выходе адаптера) и напряжением на выходе не превысит 3 вольт

Рис 39 Адаптер с переключаемым выходным напряжением

У этого адаптера выходное напряжение переключается: 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,012,0 В Даже при использовании 12 В мощность рассеивания не превысит 15 Вт (при токе 02А) Правда, мы изменили диапазон стабилизированных напряжений 5-9 В Но это не самая большая потеря, поскольку во многих случаях можно использовать адаптер без стабилизатора

Поскольку мы изменили требования к блоку питания, вернёмся к схеме, чтобы привести её в должный вид, определить окончательные номиналы элементов и добавить ряд элементов схемы, которые увеличат её надёжность

Вот окончательная схема:

Рис 310 Окончательная схема блока питания

Конденсаторы C1-C3 служат для уменьшения «пульсаций» Если бы мы тщательнее рассмотрели выпрямленное напряжение на выходе адаптера, то увидели бы, что…

Рис 311 Пульсации на выходе выпрямителя

Амплитуда пульсаций на рисунке невелика, но с ростом потребляемого нагрузкой тока эти пульсации возрастают Для уменьшения пульсаций применяют конденсаторы Чем больше ёмкость конденсатора, тем меньше уровень пульсаций Но конденсатор на выходе выпрямителя очень большой ёмкости может сам стать причиной выхода из строя диодов Этот момент мы рассмотрим в следующей главе Наилучшее решение – использовать те номиналы, что даны в справочных данных микросхемы, приведённых изготовителем

Диоды D1-D2 на схеме стабилизатора предохраняют микросхему от появления отрицательных напряжений при выключении стабилизатора Через диоды конденсаторы быстро разряжаются при выключении сетевого адаптера

Конденсаторы C1-C3 могут быть электролитическими алюминиевыми 100мкФx16 В Вместе с тем падение напряжения на конденсаторах C2 и C3 меньше Если бы это было критично, то следовало взять конденсаторы с меньшим рабочим напряжением, они могут оказаться меньших габаритов

Полезно параллельно конденсатору C3 включить керамический конденсатор ёмкостью 01 мкФ Переменный резистор R2 можно взять такой:

Рис 312 Переменный резистор 200 Ом типа СП3-4АМ

А можно использовать подстроечный резистор – не так часто вы будете менять напряжение, а подстроечный резистор хорошо «впишется» в конструкцию на макетной плате:

Рис 313 Подстроечный резистор 200 Ом типа СП3-19а

Для удобства соединения стабилизатора с сетевым адаптером используйте разъём:

Рис 314 Разъем питания на плату

Для подключения к блоку питания других устройств, а данный блок питания предназначен для проведения экспериментов, удобно использовать два монтажных провода разного цвета, запаянных в макетную плату

Пожалуй, мы всё обсудили и проверили относительно схемы первого устройства и деталей, которые нужно купить Можно приступить к реализации первого проекта

Как и в случае с принципиальной схемой – прежде чем идти в магазин за покупками, мы рассмотрели все аспекты работы схемы – так и с макетной платой, прежде чем включать паяльник и начинать пайку, мы рассмотрим конструкцию устройства

Возьмите макетную плату, установите на ней детали так, чтобы устройством было удобно пользоваться:

Рис 315 Первая примерка макетной платы

Если не считать положение подстроечного резистора и разъёма, расположение остальных деталей в данном случае может быть произвольным Иногда, всё зависит от назначения устройства, приходится учитывать взаимное влияние элементов схемы, но не сейчас

Поэтому после «первой примерки» попробуем нарисовать соединения деталей согласно схеме

Это можно сделать разными путями Позже мы рассмотрим, как воспользоваться возможностями компьютера, а сейчас используем либо графический редактор, что достаточно удобно, либо лист бумаги и карандаш, что достаточно привычно Ниже выделены провода, которые пересекаются

Рис 316 Соединение элементов схемы

При монтаже макета удобно использовать длинные выводы резисторов и конденсаторов в качестве монтажных проводов С другой стороны, если вы решите измерить ток в цепи при таком монтаже, то это трудно будет сделать На рисунке выше достаточно много соединений, которые пересекаются В этом случае обязательно понадобится монтажный провод Но, перемещая детали на плате, возможно, удастся избежать этого Не спешите запаять детали Сделайте несколько вариантов размещения, выбирая наиболее удачный Так, переместив диод D2 за микросхему U1 перед конденсатором C1, вы избежите пересечения проводов Рядом с ним найдётся место и для

диода D1, и тогда провод от конденсатора С3, который прежде пересекал провод от диода, останется свободным А расположив иначе резистор R1, его можно положить вдоль кромки платы поверх проводов, идущих от конденсаторов C2 и C3, вы полностью избежите пересечения проводов

Такая работа по размещению  элементов схемы не только  создаст ряд удобств при пайке, не только будет залогом надёжной работы устройства, но даст вам необходимый опыт монтажа, сокращая количество ошибок Ошибки монтажа всегда неприятны Кроме того, этот этап работы достаточно интересен сам по себе, чтобы доставить вам удовольствие Сделав рисунок, ещё раз внимательно проверьте правильность соединений в соответствии со схемой Производя пайку по рисунку, не забывайте поглядывать на принципиальную схему, проверяя, какие элементы соединяются в данный момент

Многие начинающие радиолюбители считают достаточным повторение готовых схем Но далеко не всегда готовые схемы имеют хорошее описание На принципиальной схеме блока питания не показан радиатор Если включить блок питания, проверяя его работу на максимальном токе, то микросхема, скорее всего, успеет сгореть, прежде чем вы заметите, что она перегревается А тот факт, что стабилизатор L7805 выглядит как обычный транзистор, не соотносится с внутренним содержанием микросхемы

Рис 317 Принципиальная схема L7805

Схема устройства хорошо продумана и достаточно сложна

Иногда готовые схемы имеют непредумышленные ошибки Так, например,  если  перевернуть диод D1, то схема работать не будет В описании работы схемы, скорее всего, будет упоминание о назначении диодов – предотвращать появление отрицательного напряжения – но как правильно должен быть включён диод… только принципиальная схема может дать ответ на этот вопрос Вы уже знаете, что при прямом включении диода падение напряжения на нём не более 1 В И вас обязательно должно насторожить, что диод включён в прямом направлении на выходе стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

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