Двухполярные источники питания

January 1, 2015 by admin Комментировать »

В. Мосягин, г. Великий Новгород

Рассмотрены практические схемы маломощных двухполярных источников питания, выполненные на операционных усилителях, микросхемных стабилизаторах напряжения и специализированных микросхемах.

Многие конструкции, особенно конструкции, выполненные на базе операционных усилителей (ОУ), требуют применения двухполярного источника питания. Простым решением проблемы питания таких устройств является использование стабилизированного однополярного источника питания, дополненного мощным делителем напряжения для создания искусственной средней точки (рис. 4.6).

Здесь на ОУ DA1 реализован стабилизированный источник питания, обеспечивающий напряжение 15 В при токе до 0,5 А. Применение ОУ позволило получить высокие эксплуатационные характеристики устройства. Выходное сопротивление стабилизатора при токе 0,5 А около 0,001 Ом, а коэффициент стабилизации — порядка 20000. Стабилизатор имеет цепи защиты от короткого замыкания на выходе.

Выпрямленное диодным мостом VD1 и сглаженное конденсатором С1 напряжение со вторичной обмотки трансформатора Т1 поступает на вход стабилизатора, выполненного на операционном усилителе DA1. Стабилизатор охвачен двумя цепями обратной связи: положительной через делители R5, R6 и отрицательной через элементы VD2, R7. Ток через стабилитрон VD2 задается через резистор R7 непосредственно от стабилизированного напряжения, что улучшает характеристики источника питания. Выходное напряжение стабилизатора равно

где и0п = 7,5 В — напряжение стабилизации стабилитрона VD2.

К выходу операционного усилителя через резистор R1 подключен регулирующий элемент — усилитель тока на транзисторах VT1, VT2, включенных по составной схеме. Элементы VT3, R3, R4 образуют схему защиты регулирующего элемента от короткого замыкания выхода. Максимальный ток источника питания ограничен величиной 0,7/R4 = 0,7 А, при этом открывается транзистор VT3 и шунтирует базо-эмитгерные переходы транзисторов VT1, VT2, препятствуя дальнейшему увеличению тока.Рис. 4.6. Двухполярный источник питания с делителем напряжения

Питание ОУ DA1 осуществляется от нестабилизированного напряжения, которое не должно превышать максимально допустимое напряжение питания ОУ, т. е. 30 В.

Схема на ОУ DA2 формирует искусственную среднюю точку. Собственно делитель — резистивная цепь R8, R9, а ОУ DA2, дополненный усилителем тока на транзисторах VT4 и VT5, образуют мощный повторитель напряжения. Схема охвачена глубокой отрицательной обратной связью через резистор R10. Конденсаторы C2…CS служат для обеспечения устойчивой работы схемы.

На основе стабилизатора, показанного на рис. 4.6, можно изготовить двухполярный источник питания. Для этого потребуется собрать еще один такой блок питания, изменив в нем полярность оксидных конденсаторов Cl, СЗ; поменять местами выводы ОУ (выводы 7 и 4), а также использовать транзисторы проводимости р-п-р. Соединив общие выводы источников питания, получим двухполярный источник напряжением ±15 В (рис. 4.7).

Уменьшить затраты на построение двухполярного источника питания позволяет применение специализированных микросхем стабилизаторов.

На рис. 4.8 показана схема двухполярного источника питания, в котором положительная ветвь выполнена на микросхемном стабилизаторе напряжения, а отрицательная — на ОУ. Такое построение ис- » точника питания часто использовалось ранее на практике в силу дефицитности стабилизаторов отрицательного напряжения.

Стабилизатор положительного напряжения +15 В микросхемный типа КР142ЕН8В, а отрицательного напряжения — зависимый, что достигнуто включением операционного усилителя DA2 по схеме инвертирующего повторителя R9 = R10. Последовательно с ОУ включены усилительные каскады на транзисторах VT1—VT3, необходимые для нормальной работы операционного усилителя по постоянному току. Каскад на транзисторе VT1 — инвертирующий усилитель, включенный по схеме с общим эмиттером, а транзисторы УГЗ, VT2 образуют регулирующий элемент, выполненный πφ схеме Шиклаи. Применение инвертирующего усилительного каскада привело к тому, что входы ОУ «поменялись» местами. Вывод 2 ОУ стал неинвертирующим, а вывод 3 — инвертирующим. Транзистор VT3 следит за фактическим выходным током регулирующего элемента по падению напряжения на резисторе R7. Если падение напряжения на резисторе R7 превысит величину 0,6…0,7 В, транзистор VT4 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение тока базы регулирующего транзистора VT3. Чтобы понизить мощность, рассеиваемую на транзисторе VT2 в случае короткого замыкания выхода стабилизатора^ введена защитная

Рис. 4.7. Двухполярный источник питания на основе двух независимых стабилизаторов напряжения , цепочка из стабилитрона VD2 и резистора R5. В нормальных условиях работы стабилизатора разность напряжений U„ — меньшая, чем напряжение стабилизации VD2, поэтому ток через резистор R5 не течет. В случае короткого замыкания выхода или повышения напряжения на входе стабилизатора напряжение на делителе R5,R6 прикладывается к переходу VT4, и он открывается при меньших величинах падения напряжения на резисторе R7. Операционный усилитель DA1 питается стабилизированными напряжениями, поступающими с выходов двухполярного источника питания.

С расширением номенклатуры интегральных стабилизаторов напряжения проблема проектирования сводится к выбору той или

Рис. 4.8. Двухполярный источник питания на микросхемном стабилизаторе напряжения и ОУ

иной микросхемы, что также представляет определенные трудности для радиолюбителей. Публикации [1—3] содержат сводные таблицы параметров стабилизаторов, позволяющие спроектировать простые и надежные источники питания для подавляющего большинства радиолюбительских конструкций, В табл. 4.1 приведены параметры отечественных и зарубежных интегральных двухполярных стабилизаторов напряжения. Некоторые данные получены путем усреднения значений из графиков, имеющихся в документации.

Дальнейшего уменьшения затрат на построение источника питания можно достигнуть применением специализированных микросхем двухполярных стабилизаторов напряжения. На рис. 4.9 приведена структурная схема интегральной микросхемы стабилизатора КР142ЕН6. Источники питания зависимые, что является дополнительным преимуществом.Таблица 4.1. Параметры двухполярных стабилизаторов напряжения

Наименование

Выходной ток (каждого канала), мА

Входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Максимальная мощность рассеяния (без радиатора),

Вт

Минимально допустимая разность напряжений вход — выход,

В

Диапазон регулировки выходного напряжения, В

Диапазон рабочих температур,

•с

Тип корпуса

Обозначение на корпусе, примечание

(К)142ЕН6А, Б, Д

200

±40

±15 ±0,5

2

2,5

±5…±20

-60…+125

(-45…+85)

4116.8-2

16(A); К16 (КА); 17 (Б); К17 (КБ); К48 (КД)

КР142ЕН6

200

±40

±15 ±0,5

2

2,5

±5…±20

-10…+70

1102.9-5

Прототип NE5554

(К)142ЕН6В, Г, Е

150

±30

±15 ±0,5

2

2,5

±5…±20

-60…+125

(-45…+85)

4116.8-2

42 (В); 43 (Г); кзз (кв) К34 (КГ);

К49(КЕ)

1145ЕН4А, Б

200

±30

±15 ±0,5

2

4,5

±5…±20

-60…+125

4116.8-2

ΝΕ5553

300

±32

±12 ±0,12

1,6 (F.U); 1,25 (N); 0.65(H)

3 (N); 4 (Н)

±5…±20

-55…+150 (SE) 0…+125 (NE)

DIP-14 (N); CERDIP-14 (F); ТО-99 (Н); SIP-9 (U)

ΝΕ5554

300

±32

±15 ±0,15

1,6 (F.U); 1,25 (N); 0.65(H)

3 (N); 4 (Н)

±5…±20

-55…+150 (SE) 0…+125 (NE)

DIP-14 (N); CERDIP-14 (F); ТО-99 (Н); SIP-9 (U)

142ЕН15А, Б

100

±30

±15

0,5

3(A); 3,5 (Б)

±8…±23

-10…+70

201.14-1

Аналог SG3501

SG1501, A/SG2501 /SG3501 /SG4501

100

±35

±15 ±0,15

1,2 (J); 1,15 (N); 0,8 (L); 0,75 ГГ)

4

±10…±23

-55…+125 (А) 0…+70

DIP-14; CERDIP-14; ТО-100; CC-C-20

Выходное напряжение источника отрицательного напряжение равно

где иоп — опорное напряжение (отрицательной полярности), создаваемое внутренним источником опорного напряжения (ИОН).

Существует возможность регулировки выходного напряжения посредством подключения дополнительного резистора к выводу CNTR (вывод 1 стабилизатора КР142ЁН6). В зависимости от того, куда подключен другой вывод этого резистора, выходное напряжение может быть установлено как меньше номинального 5… 15 В, так и больше

15..             .20 В. В первом случае резистор подключают к общему проводу, во втором — к выходу отрицательного источника питания. Микросхема имеет цепи частотной коррекции каналов положительного и отрицательного напряжений.

Напряжение источника положительного напряжения зависит от источника с отрицательной полярностью и определяется выражением где R3 = R4,        — выходное напряжение стабилизатора отрицатель ной полярности.

В табл. 4.2 дано назначение выводов микросхемы КР142ЕН6 в пластмассовом корпусе 1102.9-5. В скобках приведено назначение выводов микросхемы NE5554 фирмы Philips, прототипом которой является указанная микросхема. Обратите внимание, что цоколевки микросхем различаются. Также нужно отметить, что возможности микросхемы NE5554 шире. Кроме получения сбалансированных напряжений в диапазоне ±5…±20 В, напряжения источников питания могут быть несбалансированными, для чего предусмотрен соответствующий вывод регулировки (вывод 6 микросхемы NE5554), подключенный к инвертирующему входу DA1 (рис. 4.9).                    .

Микросхема имеет встроенные схемы токовой и тепловой защиты.

На рис. 4.10 приведена схема двухполярного источника питания на микросхеме КР142ЕН6.

Применен вариант типовой схемы включения, не требующий подбора корректирующих емкостей [4]. Источник питания рассчитан на выходной ток каждого канала до 200 мА. Диапазон рабочих температур устройства от — 10°С до +70*С. Данный источник питания идеально подходит для установки непосредственно на печатной плате устройства.Таблица 4.2. Назначение выводов микросхемы КР142ЕН6 (ΝΕ5554)

Рас. 4.9. Структурная схема интегрального стабилизатора КР142ЕН6

Рис. 4.10. Источник питания на микросхеме КР142ЕН6

В малогабаритной электронной аппаратуре с батарейным питанием часто вводят искусственную среднюю точку, которую можно рассматривать как разновидность двухполярного источника питания. Простейшей реализацией искусственной средней точки является резистивный делитель напряжения. Однако уже при незначительной нагрузке ток нагрузки протекает через один из резисторов делителя, что приводит к несимметрии питающих Напряжений. Выходом из положения может быть использование дополнительного ОУ, как в рассмотренной ранее схеме, приведенной на рис. 4.6.

На рис. 4.11 показана схема на ОУ, предназначенная для формирования средней точки в маломощной аппаратуре.

Рис. 4.11. Схема искусственной средней точки с ОУ

В схеме использован высокоомный делитель напряжения Rl, R2. Тем не менее выходное сопротивление устройства оказывается небольшим — около 0,5 Ом.

Для формирования искусственной средней точки фирма Texas Instruments выпускает специальную микросхему TLE2425 [5, 6]. Эта интегральная микросхема предназначена для создания виртуальной нулевой средней точки 2,5 В в аналоговых системах с 5-вольтовым питанием. Микросхема обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и динамическом выходном сопротивлении менее 0,225 Ом (типовое значение 0,075 Ом). На рис. 4.12, а показано включение микросхемы, а на рис. 4.12, б — ее цоколевка в исполнении ТО-92.

Рис. 4.12. Схема формирования искусственной средней точки на специализированной микросхеме TLE2425 (в), цоколевка микросхемы в корпусе ТО-92 (0)

В приведенных схемах стабилизаторов использованы самые распространенные детали. Операционные усилители могут быть практически любыми — широкого применег&я с частотной коррекцией (если таковая имеется) для единичного усиления. Могут быть установлены ОУ типа К140УД6, К140УД7, К153УД2, а также их аналоги в пластмассовых корпусах. Резисторы МЛТ, Cl-4, С2-10, С2-14, МОН мощностью, указанной на схемах. Оксидные конденсаторы типа К50 или подобные зарубежные, остальные К10, КТ, К73, К78. Стабилитроны КС175А заменяемы на Д814Б; КС191А — на Д818 с любыми буквенными индексами. Транзисторы с напряжением коллек- . тор-эмиттер не менее 30 В. Мощные транзисторы (рис. 4.6-4.8) и интегральные микросхемы стабилизаторов напряжения (рис. 4.8, 4.10) снабжены радиаторами с эффективной площадью рассеяния, рассчитанной исходя из соотношения 20 см2 на каждый ватт рассеиваемой мощности. Для улучшения теплового контакта корпус—радиатор желательно использовать теплопроводную пасту, например КПТ-8, АЛСИЛ-3. Диодный мост КЦ407А рассчитан на максимальный ток не более 0,7 А. При больших значениях тока нагрузки выберите другой

Рис. 4.13. Размещение элементов (л) и печатная плата (б) стабилизатора на микросхеме КР142ЕН6 диодный мост, скажем КЦ405. Трансформаторы питания можно подобрать из серий ТН, ТПП или ТАН.

Печатные платы устройства, показанного на рис. 4.6, приведены в [7]. Размещение деталей и печатная плата стабилизатора на микросхеме КР142ЕН6 показаны на рис. 4.13.

Как уже указывалось, данный источник питания (рис. 4.10) целесообразно совместить с платой самого устройства.

Литература

1.        Бирюков С. Микросхемные стабилизаторы напряжения широкого применения;. — Радио, 1999, № 2, с. 69—71.

2.        Авербух А. Интегральные стабилизаторы напряжения широкого применения. — Схемотехника, 2000, N° 1, с. 62—64; N° 2, с. 59—61.

3.        Нефедов А. Стабилизаторы с низким проходным напряжением 1158ЕНхх. — Ремонт & Сервис, 2002, N° 3, с. 60—62.

4.        Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — М.: Додэка-ХХ1, 2001. 400 с.

5.        http://focus.ti.com/lit/ds/slos065d/slos065d.pdf (Texas Instruments — TLE2425. Precision Virtual Ground).

6.        Волович L Однополярное питание операционных усилителей. — Схемотехника, 2002, N° 4, с. 10—14.

7.        Мосягин В. В. Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником. Серия «СОЛОН — радиолюбителям», выпуск 17. — М.: СОЛОЦ-Пресс, 2003. 208 с.

Источник: Под редакцией А. Я. Грифа, Оригинальные схемы и конструкции. Творить вместе! — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с.: ил. – (Серия «СОЛОН – РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ», вып. 23)

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