Примеры согласования аналоговых схем – Радиолюбительская азбука

May 15, 2015 by admin Комментировать »

Теория — это одно, а практика — совсем другое, и если какая-то схема теоретически («на бумаге») просто обязана работать так, как хочется вам, это еще не значит, что и практическая схема (т. е. правильно собранная из исправных деталей) будет работать так же. Теория предполагает, что все детали или идеальны, или имеют некоторые, точно известные характеристики — параметры. К сожалению, на практике таких совпадений практически никогда не бывает (разумеется, если вы не настолько богаты, чтобы покупать дорогостоящие элементы, параметры которых близки к идеальным), поэтому к настройке и согласованию каждой схемы нужно подходить индивидуально. Только в таком случае вы сможете «выжать» из схемы все, на что она способна.

Именно поэтому я и призываю читателя на каждой странице отложить в сторону справочник или компьютерную программу-симулятор (т. к. она тоже не учитывает все свойства и отклонения от идеала параметров элементов) и взять в руки паяльник.

Далее будут рассмотрены некоторые практические схемы, которые наверняка заинтересуют не только начинающих, но и более «солидных» радиолюбителей. При подготовке этой главы и, в частности, этого параграфа, не ставилась задача описать все схемы — объять необъятное невозможно. Поэтому здесь будут рассматриваться не конкретные схемы, а только варианты согласования «источников сигнала» и «нагрузок». Вариантов согласования гораздо меньше (вспомните шахматы: полсотни клеточек и миллиарды вариантов расположения фигур в этих клеточках), и если вы будете знать, как подключить мощную лампочку к выходу маломощного ОУ, у вас не возникнет проблем при подключении той же лампочки к выходу маломощной цифровой микросхемы.

Для начала рассмотрим самый главный радиолюбительский «агрегат» — блок питания. Импульсные источники питания для налаживания некоторых устройств подходят плоховато, поэтому давайте попытаемся собрать линейный блок питания, или, как их принято называть, линейный стабилизатор напряжения.

Перед началом создания схемы какого-нибудь устройства обязательно нужно определиться, по какому алгоритму должно работать это устройство. Если вы будете «делать то, не знаю, что» — схема будет работать так, как хочется ей, а не вам. Многие весьма перспективные начинающие радиолюбители, приходящие в радиокружки, со временем отсеиваются и уходят из мира электроники именно потому, что они или не знают, или не могут понять этот простейший принцип. Без творчества невозможно дальнейшее развитие: для того чтобы творить (в лучшем смысле этого слова), нужно знать некоторые правила и знать то, что должно получиться в результате. Вы никогда не сможете нарисовать картину, если вы не знаете, как смешиваются краски, и не знаете, что именно вы хотите нарисовать. Правда, «Черного квадрата» это не касается…

Итак, начнем с принципа действия блока питания. На его вход подается переменное или пульсирующее постоянное напряжение, а с выхода снимается постоянное напряжение, без всяких пульсаций. Его выходное напряжение можно плавно регулировать; при этом его амплитуда не должна зависеть от потребляемого нагрузкой тока. Также желательно оснастить блок питания защитой от короткого замыкания в цепи нагрузки.

С пульсациями можно бороться, используя электролитические конденсаторы значительной емкости (более 2000…5000 мкФ) и «обрезая» часть сглаженного напряжения (рис. 2.5). Этот принцип настолько прост в реализации, что практически все современные линейные стабилизаторы работают именно так.

Для регулировки выходного напряжения идеально подходит ОУ — как известно, уровень на его выходе равен разности входных напряжений, и, собрав по любой схеме источник образцового напряжения (т. е. напряжение этого источника должно быть неизменным), можно «заставить» ОУ сравнивать выходное напряжение с образцовым и при разбалансе соответственно закрывать или открывать регулирующий транзистор.

Для защиты блока питания от перегрузок по току (короткого замыкания выхода) можно включить в разрыв любого провода низкоомный резистор и, параллельно ему, тринистор или биполярный транзистор (схема с ОЭ). При протекании тока через резистор некоторого сопротивления на нем, в соответствии с законом Ома, создается некоторое падение напряжения — его величина зависит от тока и сопротивления резистора. Как только падение напряжения превысит 0,6…0,8 В, транзистор или тринистор откроются и начнут шунтировать управляющую мощным транзистором схему. При использовании тринистора, при ко-

Рис. 2.5. Стабилизация напряжения:

а — входное пульсирующее напряжение; б — сглаженное конденсатором; в — постоянное выходное напряжение с «обрезанными» пульсациями ротком замыкании выхода, блок питания будет выключаться, а при использовании транзистора — ток на выходе будет ограничиваться.

Теперь попробуем нарисовать схему стабилизатора. Для регулировки напряжения выберем транзистор структуры п-р-п — они дешевле и используются чаще р-п-р-транзисторов. Хорошо подходят КТ819, а также старые ХТ805, КТ808, КТ809. Так как общий провод выпрямителя (отрицательный вывод) должен быть общим и для всех остальных устройств — нагрузок блока питания (в современной электронике при однополярном источнике питания «общим» всегда делают отрицательный полюс), то транзистор включается в разрыв положительного провода, т. е. с выходом «+U» выпрямителя соединяется коллектор транзистора, а с нагрузкой — эмиттер. Получается схема с общим коллектором, и резистор в цепи базы транзистора необязателен.

Первоначальная схема нашего блока питания изображена на рис. 2.6, а. На транзисторе VT1 и резисторе R1 собрана схема защиты от перегрузок по току (короткого замыкания выхода), конденсаторы С1 и С2 — фильтрующие. ОУ DA1 сравнивает напряжение на движке резистора R2 (регулятор выходного напряжения) с образцовым (REF). При исправном ОУ и транзисторе VT2 напряжение на движке R2 всегда равно REF, т. е., вращая движок, можно плавно изменять напряжение на выходе — при крайнем верхнем по схеме положении движка выходное напряжение минимально и равно REF, а при крайнем нижнем — транзистор VT2 находится в режиме насыщения и выходное напряжение примерно на 1 вольт меньше входного.

Если напряжение на движке резистора R2 уменьшится, транзистор VT2 должен открыться сильнее, чтобы выходное напряжение и зависимое от него на-

Рис. 2.6. Этапы создания схемы линейного стабилизатора напряжения: а — базовая версия; б — рабочий вариант; в — окончательная схема пряжение на движке R2 увеличилось. Для этого напряжение на базе транзистора структуры п-р-п должно увеличиться. Получается, что при уменьшении напряжения на движке резистора R2 напряжение на выходе ОУ должно увеличиться, т. е. с движком R2 соединен инверсный вход ОУ.

При возрастании протекающего через стабилизатор тока до опасного для схемы значения начинает отпираться транзистор VT1 и напряжение на его коллекторе возрастает. При этом транзистор VT2 должен запираться, т. е. коллектор VT1 целесообразно соединить через резистор с инверсным входом ОУ.

Кстати, в этой схеме в качестве VT1 можно использовать транзистор структуры п-р-п. Для этого нужно только поменять местами выводы базы и эмиттера. Попытайтесь сами разобраться, как и почему такой вариант будет работать. Подсказки: учтите полярность падения напряжения на резисторе R1 (на рис. 2.6, а она показана), а также то, что ток через резистор R1 гораздо больше тока через движок резистора R2.

Источник образцового напряжения можно собрать по простейшей схеме — на основе стабилитрона. Выбирать образцовое напряжение слишком большим нежелательно — тогда минимально возможное выходное напряжение стабилизатора тоже будет великоватым (в этой схеме сделать его меньшим REF невозможно). Но при слишком малом напряжении REF точность поддержания выходного напряжения ухудшится, к тому же не все ОУ рассчитаны на работу с напряжением, близким по амплитуде к напряжению на отрицательном входе питания микросхемы. Поэтому «золотая середина» — 2…4 В.

И еще одна «мелочь», которую обязательно нужно учесть. Максимальное выходное напряжение этого стабилизатора на 0,6…1,0 В меньше максимального выходного напряжения ОУ. А оно может быть на 2…5 В меньше напряжения питания (+U). Нам такой эффект не нужен; устранить его можно двумя путями: включив транзистор VT2 по схеме с общим эмиттером («общий» тот электрод, который соединен с источником питания, а не с нагрузкой) или, что лучше, поставив между выходом ОУ и базой транзистора VT2 еще один транзистор средней мощности, включенный по схеме с общим эмиттером. Этот транзистор должен быть структуры р-п-р, поэтому с движком резистора R2 нужно соединить прямой вход ОУ (весь каскад с ОЭ инвертирует сигнал). Эмиттер дополнительного транзистора соединяем с коллектором транзистора VT2, коллектор — с базой (т. к. VT2 включен по схеме с ОК, токоограничивающий резистор между транзисторами не нужен), а базу через резистор (ОЭ!) — с выходом ОУ.

Доработанная схема блока питания изображена на рис. 2.6, б. Осталось только подобрать номиналы элементов.

От сопротивления резистора R1 зависит максимальный выходной ток стабилизатора. Допустим, что он равен 2 А. При таком токе падение напряжения на R1 должно составлять примерно 1…1,5 В. Его сопротивление — 1 В : 2 А = 0,5 Ом, рассеиваемая мощность — 22 А χ 0,5 Ом = 2 Вт.

Сопротивление резистора R2 можно выбрать любым, но оно должно быть больше 1 кОм (чтобы он не грелся) и меньше 100 кОм (чтобы можно было не учитывать помехи и входной ток ОУ). Выберем 10 кОм.

Элементы R3, R4, VD5 подбираются в процессе налаживания устройства. Через резистор R3 должен течь ток не более 15…20 мА (чтобы не перегружать выход ОУ), т. е. его сопротивление при входном напряжении 20 В не должно быть меньше 1…2 кОм. Сопротивление резистора R4 должно быть в 5…10 раз больше сопротивления R3. Сопротивление резистора R3 должно быть таким, чтобы при напряжении на выходе ОУ около 3…5 В (относительно общего провода; напряжение питания ОУ — 20…30 В; минимально возможное напряжение на выходе ОУ, с учетом «просадки» резистором R3, должно быть примерно на

1..                     .2 В меньше этого значения) транзистор VT2 открывался до насыщения и падение напряжения на нем при максимально допустимом токе нагрузки не превышало 1…1,5 В. Только в таком случае амплитуда изменения напряжения на выходе ОУ будет максимальной и точность его работы будет наивысшей. Если выбрать сопротивление R3 слишком малым, то амплитуда выходного напряжения ОУ будет небольшой (например, при напряжении на выходе ОУ 18 В транзистор VT2 полностью закрыт, а при уменьшении выходного напряжения до 16 В открывается до насыщения; амплитуда выходного напряжения получается равной 18 – 16 = 2 В, что в 10 раз меньше напряжения питания, т. е. ОУ работает только на 10% от своих возможностей). Стабилитрон VD5 подбирается таким образом, чтобы при уровне «логический 1» на выходе ОУ оба транзистора были полностью закрыты; в некоторых случаях он не нужен. Так как схема работает в линейном, а не в импульсном режиме, то паразитные емкости транзисторов можно не учитывать и резистор между базой и эмиттером VT2 не нужен.

На элементах R5, VD6, СЗ собран стабилизатор образцового напряжения. Если напряжение питания схемы колеблется в широких пределах, то резистор R5 желательно заменить генератором тока. Конденсатор СЗ нужен для устранения самовозбуждения схемы: один из входов ОУ всегда должен быть соединенным с конденсатором значительной емкости либо непосредственно, либо через резистор, но в последнем случае падение напряжения на резисторе должно быть либо ничтожно малым, либо оно должно учитываться схемой (простейший пример — цепь ООС усилителя и фильтра). Ведь принцип действия ОУ — сравнение напряжения на входах, т. е. напряжение на одном из входов должно быть неизменным (эталонным, образцовым) или изменяться, но с частотой и амплитудой, меньшей, чем на втором входе. Ставить конденсаторы на обоих входах или «обходиться» без конденсаторов вообще нельзя: в первом случае возникнут автоколебания (самовозбуждение) на низких частотах (в схе.- ме на рис. 2.6, б, если поставить конденсаторы на обоих входах, то при увеличении выходного напряжения ОУ по прямому входу переключится с некоторым запозданием — когда напряжение на выходе станет слишком большим; при этом он отключит транзистор VT2 и напряжение на его эмиттере начнет уменьшаться (влияние нагрузки); т. к. напряжение на выходе до этого было слишком велико, то конденсатор на прямом входе продолжает заряжаться и только после того, как напряжение на выходе значительно уменьшится, начнет разряжаться; через некоторое время он значительно разрядится, и ОУ снова включит транзисторы. и напряжение на выходе снова повысится практически от нуля до «очень большого» значения), а во втором — на высоких (напряжение на выходе выпрямителя (рис. 2.6, б) непостоянно, а характеристики стабилитрона весьма далеки от идеала; при случайных небольших пульсациях на верхнем по схеме выводе резистора R5 (они неизбежны в любой схеме) пульсации усилятся ОУ и транзисторами и пойдут в нагрузку, т. е. в таком случае «стабилизатор» только ухудшит стабильность напряжения на выходе выпрямителя). В нашем случае, если поставить конденсатор только параллельно стабилитрону, за стабильность образцового напряжения можно не беспокоиться, а время реакции ОУ на изменение выходного напряжения из-за отсутствия емкостей на прямом входе очень большое — гораздо больше времени заряда-разряда конденсатора С2.

Сопротивление резистора R5 нужно выбрать максимально возможным, но таким, при котором стабилитрон VD2 начинает ограничивать напряжение. Обычно его сопротивление выбирается таким, при котором через него протекает ток в 0,3…5 мА (для малогабаритных современных стабилитронов в стеклянном корпусе). Емкость конденсатора СЗ зависит от сопротивления R5 — произведение R5 х СЗ (МОм, мкФ) должно быть в пределах 0,1…0,5 сек.

Резистор R7 ограничивает ток базы транзистора VT1 при очень резком возрастании тока нагрузки; т. к. быстродействие ОУ значительно, а максимально допустимый импульсный ток базы даже для маломощных транзисторов довольно велик, его сопротивление можно выбрать небольшим — от 100 Ом и больше (до сотен килоом).

Резистор R6 нужен для того, чтобы не вывести из строя транзистор VT1 и (или) резистор R2 в том случае, когда положение его движка близко к общему проводу. Но ведь в таком случае защита не работает, а выходное напряжение очень велико! Ведь для срабатывания защиты напряжение на прямом входе нужно повысить, а когда движок резистора R2 соединен с общим проводом, сделать это невозможно, не спалив резистор. Выход — ограничение тока от резистора R2 с помощью дополнительного резистора (R8), включенного между движком резистора и входом ОУ. Входное сопротивление ОУ и закрытого транзистора VT1 очень велико, поэтому его сопротивление может быть практически любым (но меньше 0,5…1,0 МОм). Обычно его сопротивление в 1…5 раз больше сопротивления резистора R2.

Емкость конденсатора С1 нужно выбрать побольше: тогда пульсации входного напряжения (рис. 2.5, б) будут меньше. Емкость конденсатора С2 может быть любой — с пульсациями выходного напряжения борется ОУ. Но для облегчения режима работы микросхемы и уменьшения выходного сопротивления стабилизатора его емкость должна быть больше 100 мкФ.

Итоговая схема стабилизатора, с учетом всех замечаний, изображена на рис. 2.6, в.

Именно в такой последовательности и создаются все схемы: сначала — исходный вариант, который в принципе способен реализовать тот алгоритм, по которому должно работать устройство; при этом отдельные узлы (на рис. 2.6, а — блок защиты и ОУ) могут быть несоединенными (несогласованными) друг с другом. После того как исходный вариант готов (т. е. вы «напихали» в схему все те «прибамбасы», которыми она должна быть оснащена), наступает второй этап — согласование отдельных узлов так, чтобы вся схема заработала. Этот этап занимает максимум времени — иногда он «растягивается» на недели и даже месяцы; во время его схема иногда кардинально изменяется — так, что она порой совершенно не похожа на исходный вариант (объединяет их только то, что они работают по одному и тому же алгоритму и измененный вариант гораздо проще исходного). Ну и последний этап — определение (расчет или приблизительные прикидки) типа и номиналов отдельных элементов (во время согласования на эту «мелочь» внимание уделяют только в крайних случаях, чтобы не загромождать лишними числами и так весьма громоздкий чертеж), а также доведение согласования отдельных узлов до идеала. После этого схема собирается из реальных («настоящих», а не «нарисованных») деталей, подается питание и, если она не работает, выясняется причина «глюков». После этого остается только подобрать номиналы элементов, обычно помечаемых на схемах звездочками, и — в добрый путь!

Регулятор напряжения можно встроить и в ШИМ-блоке питания (рис. 1.45). Для этого правый по схеме вывод резистора R5 отсоединяется от выхода ОУ DA1, сам резистор заменяется на постоянный сопротивлением 1 кОм и подключается к выходу дополнительного регулирующего ОУ. Один из входов этого ОУ соединен с источником образцового напряжения, а второй через переменный резистор — с конденсатором С2. Для увеличения выходного напряжения нам нужно, чтобы транзисторы VT1 и VT2 в открытом состоянии были дольше, чем в закрытом, т. е. длительность уровня «логический 0» на выходе DA1 должна увеличиться. Для этого напряжение на выходе регулирующего усилителя также должно увеличиться — при этом уменьшится падение напряжения на резисторе R5, уменьшится протекающий через него ток, конденсатор С1 будет медленнее разряжаться и длительность уровня «логический 0» на выходе DA1 увеличится. То есть регулирующий усилитель должен быть инвертирующим — при уменьшении напряжения на конденсаторе С2 напряжение на его выходе должно увеличиваться, и DA1 с помощью транзисторов увеличит напряжение на выводах С2.

Схема такого блока питания изображена на рис. 2.7. Так как максимальное напряжение на выходе DA1.1 может на несколько вольт отличаться от напряже-

Рис. 2.7. Регулируемый блок питания с ШИМ

ния питания, то для надежного запирания транзистора VT1 (и зависящего от него силового транзистора VT2) в схему добавлен стабилитрон VD4. Напряжение на эмиттере VT1 примерно на величину напряжения стабилизации стабилитрона меньше напряжения на шине «+U»; как известно, р-п-ртранзистор откроется только после того, как напряжение на его базе станет на 0,6…0,8 В меньше напряжения на эмиттере. У рекомендуемого мною для этой схемы сдвоенного ОУ КР140УД20 при уровне «логический 1» на выходе, выходное напряжение примерно на 0,8…1,2 В меньше напряжения на входе питания. Поэтому напряжение стабилизации стабилитрона может быть от 1,5 В и выше (но не белее 1/2…2/3 напряжения питания); вместо него можно впаять 1…3 диода в прямом включении (точное число подбирается при настройке).

ОУ DA1.2 включен как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления около 100. Ограничение коэффициента усиления нужно для того, чтобы ОУ работал в линейном, а не импульсном режиме, тем более что напряжение на резисторе R8 пульсирующее. Кстати, ограничить коэффициент усиления желательно и в схеме на рис. 2.6 — для этого между источником образцового напряжения и инверсным входом ОУ включается низкоомный резистор (его сопротивление не должно быть меньше сопротивления резистора R5), а между выходом и инверсным входом — высокоомный (kycU — около 20…100).

Для того чтобы положение движка резистора R8 не влияло на коэффициент усиления DA1.2 (при крайнем положении движка сопротивление этого резистора равно нулю, а при среднем оно увеличивается до 1к : 2 = 500 Ом), последовательно с ним включен резистор R9 гораздо большего сопротивления: его сопротивление должно быть раз в 10 больше сопротивления R8 — благодаря этому небольшое изменение сопротивления R8 можно не учитывать.

При настройке схем на основе ОУ нужно помнить: переусиление сигнала так же опасно, как и его недостаточное усиление! При недостаточном коэффициенте усиления DA1.2 в этой схеме пульсации напряжения питания и влияние нагрузки будут сглаживаться слишком плохо и пульсации выходного напряжения будут значительными. А вот при переусилении чувствительность DA1.2 становится слишком большой, и она сама начинает реагировать на пульсации напряжения питания. Эти пульсации усиливаются и через цепочку R5-VD2 подаются на вход DA1.1 — это равнозначно тому, если бы в исходной схеме (рис. 1.45) вы резко и быстро крутили движок переменного резистора. ОУ DA1.1 «уверен», что поступающий на него пульсирующий сигнал с выхода DA1.2 — на самом деле постоянный, и, как прилежный ученик, с помощью транзисторов пытается создать такой же сигнал и на выходе схемы. Поэтому уверенность в том, что чем больше коэффициент усиления регулирующего ОУ, тем выше качество сигнала на выходе, — ошибочна: она справедлива только в том случае, когда источник питания регулирующего ОУ идеален. В реальных схемах, характеристики источника питания (и используемых в схеме элементов) которых чаще всего неизвестны, постоянно приходится искать некий компромисс между «количеством» и «качеством». Проще всего это сделать с помощью чувствительной к пульсациям напряжения питания нагрузки (например, усилителя мощности звуковых частот — УМЗЧ) и переменного резистора в цепи ООС DA1.2.

Сопротивление резистора R8 выбирать сколько угодно малым нельзя: на нем падает довольно большое напряжение. Мощность рассеивания переменных резисторов обычно не превышает 0,5…1,0 Вт, поэтому его сопротивление должно быть:

где R8 — в омах, UC2 (максимальное напряжение на конденсаторе С2 — примерно равно напряжению питания) — в вольтах, Ррас — в ваттах.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

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