Нагрев радиоэлементов: причины, последствия и борьба с ним. Импульсные источники питания

July 10, 2015 by admin Комментировать »

Одна из серьезнейших проблем, с которой периодически сталкиваются как начинающие, так и профессиональные радиолюбители, — нагрев элементов схемы. Греются практически все устройства средней и большой мощности. При этом опасен не сам разогрев (многие устройства, например электрочайник, предназначены именно для этой цели), а перегрев устройства — когда его температура повышается выше некоторой предельно допустимой. При этом резисторы и некоторые другие неполупроводники обугливаются (т. е. в буквальном смысле «сгорают»), а у полупроводников происходит пробой р-п-переходов, и эти переходы, вместо того чтобы пропускать ток только в одном направлении, начинают пропускать его в обоих (т. е. «превращаются» в обычные проводники с небольшим сопротивлением) или вообще не пропускают его ни в прямом, ни в обратном направлении. Про такие приборы, по аналогии с резисторами, тоже говорят, что они «сгорели», хотя это и не совсем правильно, тем более что современные полупроводники (диоды, транзисторы) выпускаются в герметичных корпусах, из-за которых невозможно определить, «сгорел» этот прибор или нет.

Причина нагрева — выделяющаяся на элементе мощность, или, по-научному, рассеиваемая элементом мощность. Мощность рассеивания, как и любая другая электрическая мощность, зависит от падения напряжения на элементе и протекающего через него тока:

где Ррас — рассеиваемая мощность, Вт; U — падение напряжения. В; I — протекающий ток. A; R — сопротивление элемента, Ом.

Для примера соберем простейшую схему (рис. 1.42): стабилизатор высоковольтного (относительно!) напряжения для питания низковольтной лампочки. Напряжение питания схемы — 15 В, напряжение стабилизации стабилитрона — 3,6 В, ток в цепи — 0,2 А. Так как транзистор включен по схеме с общим коллектором (общим считается тот вывод, на который подается питание), то напряжение на его эмиттере (и, соответственно, на лампочке) на 0,6 В меньше напряжения на базе — т. е. 3,0 В. На лампочке рассеивается мощность 3 В · 0,2 А = 0,6 Вт.

Так как на лампочку поступает только 3 В, то остальные 15 – 3 = 12 (В) падают на транзисторе — ведь должны же они куда-то деваться, а напряжение питания схемы (15 В) — постоянно, и уменьшить его. будем считать, невозможно. Поэтому на транзисторе рассеивается мощность 12 В · 0,2 А = 2,4 Вт — в 4 раза больше, чем на лампочке.

Через резистор течет ток (15 В – 3,6 В) : 1000 Ом = 0,0114 А, его мощность рассеивания во избежание перегрева должна быть большей либо равной (0,0114)2 ■ 1000 = 0,13 Вт. Рассеиваемую стабилитроном мощность рассчитайте сами, только не забудьте учесть, что транзистор «отбирает» у резистора ток,

Рис. 1.42. Стабилизатор напряжения (линейный)

равный 1 / Ь21э тока нагрузки, и «для стабилитрона» остаются сущие крохи. Кстати, именно по такому принципу и определяется нужное сопротивление резистора: протекающий через него ток должен быть чуть больше тока, «забираемого» базой транзистора, т. e. IR > (IH/h2l3). «Лишний» ток гасится стабилитроном. Но слишком сильно уменьшать сопротивление этого резистора нельзя: при этом увеличится нагрев и резистора, и стабилитрона, а также увеличится и потребляемый устройством ток от источника питания. Если же выбрать резистор слишком большого сопротивления или если напряжение питания схемы внезапно уменьшится, то через резистор будет протекать слишком малый ток и ток в нагрузке (яркость свечения лампочки) уменьшится.

Как видно из всего вышесказанного, на нагрузку идет только 1/5, или 20%, мощности, отбираемой этой схемой от источника питания. Куда же деваются остальные 80%? Они тратятся на разогрев транзистора. То есть коэффициент полезного действия (КПД) такого стабилизатора при указанных на схеме входном и выходном напряжениях равен 20%. Нетрудно заметить, что при уменьшении выходного напряжения (с помощью стабилитрона) и (или) увеличении напряжения питания КПД уменьшается, т. к. увеличивается разность между падением напряжения на транзисторе и напряжением на нагрузке. А вот при увеличении напряжения на нагрузке КПД возрастает и, когда транзистор открыт до насыщения (падение напряжения на переходе коллектор — эмиттер равно 0,6…1,0 В) превышает 90%. Соответственно, и на транзисторе рассеивается мощность, несоизмеримо малая по сравнению с мощностью нагрузки.

Так как транзистор, в отличие от лампочки, светиться не может, то вся выделяющаяся на нем мощность превращается в тепло. То есть транзистор греется, и чем больше мощность, тем сильней нагрев. Так как корпус современных транзисторов (это относится не только к транзисторам, но и ко всем остальным элементам, обладающим небольшим сопротивлением, — резисторам, диодам и пр.), как правило, очень маленький, то они очень быстро разогреваются, перегреваются и, как результат, выходят из строя (сгорают).

Для борьбы с перегревом используют специальные теплоотводы (радиаторы, «холодильники»), представляющие собой кусок металла. Транзистор попросту прикручивается к радиатору, и в результате, т. к. металл очень хорошо проводит тепло, площадь, с которой излучается тепло, резко увеличивается, то есть нагрев транзистора уменьшается. Например, транзистор в корпусе ТО-220 (отечественные транзисторы КТ819, КТ818, КТ835, КТ837 и др.) без радиатора перегревается при рассеиваемой на нем мощности более 2 Вт. А с радиатором в виде пластинки размером 5 х 5 см (ее площадь 25 см2) он может длительное время работать при рассеиваемой на нем мощности до 5 Вт. Используя более «внушительные» радиаторы, рассеиваемую транзистором мощность можно довести до паспортных 30…60 Вт.

Кстати, в радиаторе главное — не масса, а площадь его поверхности, ведь радиатор нужен не для того, чтобы самому медленно нагреваться под воздействием отдаваемого транзистором тепла, а для того, чтобы выполнять роль посредника между кристаллом транзистора и воздухом (окружающей средой). А чем больше площадь соприкосновения двух сред (металла радиатора и воздуха окружающей среды), тем эффективнее теплообмен между ними. Поэтому современные радиаторы представляют собой ажурные конструкции с множеством пластинок, перегородок и иголок. Эти «наросты» нужны не для красоты и не для экономии металла при изготовлении радиатора — просто благодаря им увеличивается площадь поверхности теплоотвода. Поэтому отламывать их ни в коем случае нельзя.

Все сказанное выше про транзистор, выполняющий функцию стабилизации напряжения, относится и ко всем остальным элементам, включенным по самым разнообразным схемам, — если через них течет значительный ток. Если через диоды выпрямителя переменного тока протекает более 2 А (напряжение — безразлично), то диоды нужно установить на теплоотвод. Существуют диоды в корпусах, установка которых на радиатор невозможна, и при этом, по справочнику, через диод может течь ток до 3…20 А. Верить этим значениям нельзя — скорее всего, это не постоянный, а импульсный ток, который может выдержать диод; если через такой диод, без радиатора, пропустить 20 А тока (например, поставить его в выпрямитель переменного напряжения), то на нем выделится почти 20 Вт тепла. Для сведения: 40-ваттный паяльник, площадь поверхности которого раз в 10 больше площади поверхности диода (т. е. от паяльника в окружающую среду тепло рассеивается в 10 раз легче), нагревается до температуры

260..              .300 °С. А теперь прикиньте, до какой температуры нагреется диод, после чего вспомните, что кремниевые полупроводники выходят из строя при температуре кристалла выше 150 °С.

Но если через диод течет импульсный ток, его вполне можно использовать и без радиатора — ведь за время паузы между импульсами диод не греется, а охлаждается. Поэтому, если через диод пропустить постоянный ток амплитудой 20 А, на диоде выделится 20 Вт; если же через диод пропускать импульсный ток (длительность импульса и паузы между импульсами равна и не превышает 1…5 секунд; амплитуда импульса тока равна 20 А), то нагрев диода уменьшится — на нем будет выделяться 10 Вт тепла. Если длительность паузы будет больше длительности импульса, то диод будет греться еще слабее.

Все сказанное здесь относится и к ключевым транзисторам, включенным по схеме с общим коллектором. Чем больше время «отдыха» транзистора, тем слабей он греется. Но если длительность импульса превышает 1…5 секунд, то радиатор для транзистора (диода, тиристора и т. д.) обязателен — тепловая инерция корпуса прибора без радиатора очень невелика, и за это время его кристалл вполне успеет разогреться до опасной для него температуры.

Мощные полевые транзисторы (и биполярные, включенные по схеме с общим эмиттером) при тех же условиях греются гораздо слабее диодов и эмиттерных повторителей — просто у них сопротивление открытого канала столь мало, что падение напряжения на канале, даже при протекающем токе в десятки ампер, не превышает 0,1…0,5 В. Соответственно, и рассеиваемая на кристалле мощность не превышает единиц ватт — а такую мощность транзистор может рассеивать и без радиатора. Но это справедливо только в том случае, когда транзистор открыт полностью (до насыщения). В противном случае, если он открыт «почти» полностью, падение напряжения на нем резко увеличивается, увеличивается и нагрев кристалла транзистора. Поэтому во всех справочниках всегда указываются три основных параметра транзистора: максимально допустимое напряжение, максимально допустимый ток и максимально допустимая рассеиваемая мощность (для полевых транзисторов — еще и сопротивление открытого канала). Ни один из этих параметров превышать нельзя! Падение напряжения AU на канале полевого транзистора можно определить, пользуясь законом Ома (для этого нужно знать протекающий через канал ток и его сопротивление); у биполярных транзисторов его можно определить только экспериментально (с помощью вольтметра). Формулы для определения рассеиваемой на транзисторе мощности приводились в начале статьи.

Как видно, рассеиваемая мощность минимальна, а КПД максимален (ведь на нагрев элементом окружающей среды тратится драгоценная энергия источника питания) у той схемы, которая работает в импульсном режиме. Поэтому в современной электронике импульсные схемы занимают далеко не последнее место.

Рис. 1.43. Аналог простейшей импульсной схемы

Простейший аналог импульсного понижающего источника питания изображен на рис. 1.43. Лампочку желательно выбрать помощнее (более 10…20 Вт), а в качестве кнопки S1 использовать два провода, трущихся друг о друга.

Когда два провода соединены друг с другом, контакт между ними не нарушается и лампочка горит полным накалом. Но когда вы начнете тереть провода друг о друга, контакт между ними начнет периодически нарушаться и яркость свечения лампочки уменьшится; если потренироваться, то яркость можно будет уменьшать в 5…10 раз, и лампочка будет еле светиться.

Объяснение этого эффекта очень просто. Дело в том, что все лампы накаливания обладают значительной тепловой инерцией (и чем больше мощность лампы, тем больше тепловая инерция — именно поэтому я и советую выбрать лампочку помощнее), т. е. их спираль очень медленно разогревается и так же медленно остывает, а чем сильнее разогрета спираль, тем ярче она светит. Когда провода трутся друг о друга, то из-за того, что их поверхность частично окислена (оксидный слой не проводит электрический ток), а также из-за их неидеально ровной поверхности контакт между ними хаотически нарушается и снова восстанавливается. Когда контакта нет, сопротивление бесконечно, когда он есть — близко к нулю. Поэтому на лампочку поступает не постоянный ток амплитудой 12 В, а импульсный, с той же амплитудой. Спираль лампочки, из-за тепловой инерции, сглаживает эти импульсы, и так как постоянная составляющая импульсного тока всегда меньше амплитуды импульса, то лампочка светится так, будто ее напряжение питания уменьшилось, и чем меньше длительность импульса тока, по сравнению с длительностью паузы между импульсами, тем слабее светится лампочка.

Так как сопротивление контакта S1 практически мгновенно изменяется от нуля до бесконечности, то тепло на нем практически не выделяется (при нулевом сопротивлении падение напряжения равно практически нулю, т. е. Р = U ■ I « 0, а при бесконечно большом сопротивлении протекающий через контакт ток равен нулю и мощность снова нулевая) — то есть КПД такого регулятора напряжения близок к 100%. У схемы, аналогичной изображенной на рис. 1.42, он, в зависимости от выходного напряжения, изменяется от 0% до примерно 96%. Комментарии излишни.

Единственный недостаток схемы на рис. 1.43 (кроме неудобства управления) — очень сильная пульсация напряжения на нагрузке (лампочке). И самое противное заключается в том, что сгладить пульсации обычным способом — с помощью конденсатора — нельзя. Ведь величина напряжения на лампочке изменяется очень резко, и частота, при которой напряжение изменяется так же резко (имеется в виду частота синусоидального сигнала), очень велика. А на высоких частотах емкостное сопротивление конденсатора очень мало, т. е. он сильно шунтирует лампочку и при замыкании кнопки S1 через ее контакты протекает очень большой ток. Наверняка вы замечали, что когда конденсатор значительной емкости подключается к источнику питания с небольшим внутренним сопротивлением, то конденсатор заряжается практически мгновенно и через контакты проскакивает довольно мощная искра. При этом ток заряда конденсатора зависит только от его внутреннего сопротивления и выходного сопротивления источника питания и может достигать десятков ампер. То же самое будет происходить и в схеме на рис. 1.43, если параллельно лампочке подключить конденсатор. Через контакты S1 будет протекать очень большой импульсный ток, и они будут сильно обгорать (а если S1 заменить транзистором, работающим в ключевом режиме, то он может даже выйти из строя — если вы возьмете «хороший» конденсатор, с небольшим внутренним сопротивлением), а по проводам от-источника питания будут распространяться мощные помехи, которые могут даже нарушить работу других схем. Поэтому допускать возможность работы в таком режиме нельзя.

В принципе, для ограничения амплитуды импульсов тока можно использовать резисторы, но в таком случае увеличится выходное сопротивление источника питания: нам же нужно, чтобы сопротивление «резистора» на низких частотах было очень маленьким и увеличивалось с увеличением частоты, т. е. нужен «антиконденсатор». А сопротивление резистора не зависит ни от частоты, ни от напряжения или тока.

Но выход есть — ведь существуют же катушки индуктивности (дроссели), которые являются ничем иным как «антиконденсатором»: их индуктивное сопротивление при увеличении частоты сигнала увеличивается (из-за возникающей в таком случае ЭДС самоиндукции, которая направлена в противоположную сторону относительно втекающего в катушку тока), а на низких частотах индуктивность катушки оказывается слишком малой, чтобы оказывать какое-либо заметное влияние на протекающий через нее ток, и ее сопротивление практически равно нулю — ведь катушки делают из провода, обладающего очень небольшим сопротивлением.

Проиллюстрировать действие катушки индуктивности можно таким, возможно, не очень удачным, примером: представьте, что у вашего автомобиля заглох двигатель (кончилось горючее) и вам приходится его толкать. Если вы будете давить на него плавно, без резких толчков (через катушку протекает постоянный ток, без импульсных помех), то он легко стронется с места и поедет, и вам нужно будет тратить силы только на преодоление силы трения колес и, если дорога неровная, силы тяжести автомобиля, а также силы ветра (сопротивление катушки минимально и зависит только от сопротивления провода, которым она намотана; аналог электрического сопротивления в физическом мире — сила трения; «силу тяжести» — ток утечки, а также «ветер» — сопротивление нагрузки, можно не учитывать). Если же вы будете толкать автомобиль сильными толчками (например, ногой или другим автомобилем), то машина, из-за присущей всем физическим телам инерции, будет сопротивляться толчкам, и чем сильнее толчки, тем сильнее ее сопротивление. Аналог инерции в мире электроники — ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции. И так же как автомобиль «запасает» энергию толчка, немедленно возвращая ее назад в виде противодействия силы трения (после толчка, даже если перестать подталкивать автомобиль, он «самостоятельно» проедет некоторое расстояние — а ведь на него в это время действует только сила трения, стремящаяся остановить его; едет же он благодаря инерции), то и катушка запасает энергию в виде магнитного поля, немедленно отдавая ее назад.

Для большей ясности давайте заменим автомобиль пружиной. Пружина — наиболее полный аналог катушки индуктивности, и не случайно на рисунках они обозначаются практически одинаково.

Простейший опыт с пружиной и ее электрическим аналогом — катушкой индуктивности изображен на рис. 1.44, а. Нижний конец пружины стоит на земле (или столе), а верхний — «болтается в воздухе». Если мы нажмем на пружину, то она сократится (сожмется), и т. к. мы противодействуем ее силе упругости, то она запасет некоторое количество энергии. Теперь, если мы ее отпустим, она очень быстро распрямится, причем скорость распрямления не зависит от той скорости, с которой мы ее сжимали, и зависит только от силы трения, умноженной на коэффициент упругости пружины.

При замыкании кнопки S1 в катушке индуктивности (дросселе) возникает магнитное поле, охватывающее ее витки. Причем сразу после замыкания контактов кнопки через катушку течет очень небольшой ток, но со временем он увеличивается (у пружины то же — чем сильнее она сжата, тем сильнее она противодействует дальнейшему сжатию). Сразу же после размыкания кнопки S1 магнитное поле дросселя L1 начинает превращаться в электрический ток, который и течет на выход. Причем направление этого тока противоположно направлению тока источника питания: если при замкнутой кнопке SI на верхнем по схеме выходном проводе напряжение положительно относительно нижнего (общего) провода, то при размыкании контактов кнопки оно становится отрицательным. В примере с пружиной происходит то же самое: если сжимающая пружину сила направлена вниз, то после прекращения действия этой силы конец пружины устремляется вверх, т. е. направление движения конца пружины становится противоположным. Амплитуда напряжения на выходе схемы с дросселем практически не зависит от амплитуды напряжения питания и может достигать сотен и даже тысяч вольт. Она ограничивается только «силой трения» — сопротивлением нагрузки и «коэффициента упругости» — индуктивностью (измеряется в генри — Гн) дросселя. Используя этот эффект, радиолюбители

Рис. 1.44. Основные схемы включения дросселей, и их аналоги на пружинах получают высоковольтное напряжение из более низковольтного; но в некоторых схемах этот эффект вреден и даже опасен — высоковольтное напряжение, и к тому же обратной полярности, очень легко пробивает р-п-переходы транзисторов и диодов. Подробнее этот эффект мы разберем чуть позже.

И еще один опыт, который поможет начинающим радиолюбителям лучше понять принцип действия катушки индуктивности (рис. 1.44, б). Помимо пружины, в нем участвует инерционная система (автомобиль). Если мы все равно с какой силой ударим по левому по схеме концу пружины, то она сожмется и автомобиль плавно тронется с места. После прекращения действия силы левый конец пружины останется в том месте, до которого он сдвинулся под воздействием удара, — переместиться назад ему помешает зубчатая гребенка. Но так как сжатая пружина всегда стремится разжаться, то действие силы на автомобиль не прекратится и после окончания действия силы F. То есть пружина превращает короткие и сильные толчки в длительные и более слабые. Амплитуда силы F может быть абсолютно любой; амплитуда силы, действующей на автомобиль, зависит от амплитуды и, в меньшей степени, длительности воздействия силы F, а также от инерции автомобиля.

Теперь разберем электрическую схему. Вместо гребенки в ней используется диод VD1, а вместо автомобиля — конденсатор С1. При замыкании кнопки S1 через катушку L1 начинает течь ток, причем сразу же после замыкания кнопки ток небольшой, и со временем, по мере возрастания магнитного поля вокруг катушки, он увеличивается. Соответственно и в конденсатор С1 вначале течет небольшой ток, поэтому резких импульсов тока при любой скорости замыкания кнопки S1 нет ни на входе схемы (в проводах, идущих от источника питания), ни на ее выходе (в нагрузке).

Пока кнопка S1 замкнута, напряжение на левом по схеме выводе катушки больше, чем на правом — ведь напряжение на конденсаторе С1, при замкнутой кнопке S1, не может быть больше напряжения питания. При размыкании кнопки напряжение на выводах катушки становится противоположным — на ее левом по схеме выводе напряжение меньше, чем на правом. Так как напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может, то, под воздействием ЭДС самоиндукции катушки, начинает уменьшаться напряжение на левом по схеме выводе катушки (относительно напряжения на положительной обкладке конденсатора С1). Как только оно станет на 0,7 В меньше напряжения на общем проводе (а такая ситуация неизбежна, и произойдет она очень скоро: ведь ЭДС самоиндукции — величина очень большая и по амплитуде может в десятки раз превышать напряжение питания, а паразитную емкость диода VD1, его обратное сопротивление и сопротивление разомкнутых контактов S1 можно не учитывать), откроется диод VD1 и его сопротивление очень резко уменьшится практически до нуля. То есть можно считать, что левый по схеме вывод катушки соединился с общим проводом.

На этом магнитное поле вокруг катушки не исчерпалось — ведь на отпирание диода затратилась только ничтожная его часть. Но магнитное поле вокруг любой катушки «изо всех сил» старается преобразоваться в электрический ток, и рассматриваемая нами схема — не исключение. Так как сопротивление диода ничтожно, то ему (полю) не остается ничего иного, кроме как пойти на зарядку конденсатора С1. То есть, используя в этой схеме катушку индуктивности, мы одновременно убиваем двух зайцев: во-первых, при импульсном замыкании-размыкании контакта S1 катушка ограничивает бросок тока, возникающий из-за небольшого внутреннего сопротивления конденсатора, и, во-вторых, даже после размыкания контактов S1 она обеспечивает подзаряд конденсатора. Причем на подзаряд конденсатора идет та энергия, которая в обычной схеме, не содержащей катушки, выделилась бы в виде тепла на сопротивлении проводов и внутреннем сопротивлении источника питания и конденсатора С1. Поэтому КПД подобных схем очень редко бывает ниже 80%.

Так же как и энергия сжатой пружины, ЭДС самоиндукции катушки индуктивности со временем убывает, и когда-нибудь настанет такой момент, когда она станет равной нулю. Активное сопротивление катушки очень невелико (оно равно сопротивлению куска провода, которым намотана катушка), поэтому можно считать, что в таком случае верхние по схеме выводы диода и конденсатора замыкаются друг на друга. При этом напряжение на диоде из прямого становится обратным и его сопротивление резко возрастает — настолько, что его влияние можно не учитывать. Конденсатор С1 медленно разряжается только через сопротивление нагрузки (предполагается, что сопротивление нагрузки гораздо меньше сопротивления утечки конденсатора). Вся схема ждет нового импульса тока от источника питания, после поступления которого весь цикл работы схемы повторится снова.

Практическая схема импульсного источника питания изображена на рис. 1.45. На ОУ DA1 собран генератор с плавно изменяющейся скважностью импульсов. Скважность импульсов на выходе (длительность «единичного» уровня) изменяется переменным резистором R5; длительность паузы между импульсами у этой схемы неизменна и зависит от сопротивления резистора R4.

К выходу ОУ подключен усилитель тока на двух транзисторах. Маломощный транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором — у этой схемы

Рис. 1.45. Блок питания с ШИМ

быстродействие максимально (т. к. транзистору «помогает» выход ОУ — пока транзистор из-за инерционности не успел полностью открыться, ток с выхода ОУ через переход база-эмиттер течет в его нагрузку), а также она, в отличие от схемы с общим эмиттером, потребляет от источника сигнала не очень большой ток, т. е. минимально нагружает выход ОУ. А вот мощный транзистор включен по схеме с общим эмиттером: хотя эта схема потребляет гораздо больший ток, чем схема с общим коллектором, зато падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер открытого транзистора меньше (не более 0,2…0,5 В), т. е. мы проигрываем по величине управляющего тока, зато в целом (по КПД) — выигрываем. Если транзистор VT2 включить по схеме с общим коллектором, то уже при токе нагрузки более 200 мА он довольно сильно нагрет; каскад с ОЭ при таком токе практически холодный.

Резистор R7 нужен для ускорения запирания транзистора VT2, так как транзистор VT1 может только зарядить паразитную емкость его перехода база-эмиттер; а чем меньше его сопротивление, тем быстрее запирается транзистор. Но при уменьшении сопротивления резистора R7 уменьшается коэффициент передачи тока VT2, поэтому при выборе номинала этого транзистора нужно придерживаться «золотой середины» (для подобных схем — 10…60 Ом). Резистор R6 ограничивает ток коллектора транзистора VT1 и базовый ток транзистора VT2; его сопротивление уточняют при налаживании полностью собранной схемы: при налаживании диоды VD1 и VD2 не устанавливают, а к инверсному входу ОУ припаивают движок переменного резистора, крайние выводы которого соединены с общим проводом и шиной «+U», т. е. ОУ работает в режиме тригге ра Шмитта, а не генератора. Переменным резистором устанавливают на выходе ОУ уровень лог. «1» и убеждаются в том, что оба транзистора полностью закрыты (падение напряжения на резисторах R6 и R7 равно нулю, и на конденсаторе С2 также нулевое напряжение), т. е. в том, что транзисторы исправны. После этого параллельно конденсатору С2 подключают любую нагрузку (резистор, лампочку, утюг и т. д.), которая потребляет при напряжении, равном +U, такой ток, на который должен быть рассчитан источник питания, и на выходе ОУ с помощью переменного резистора устанавливают уровень лог. «О». Уменьшая сопротивление резистора R6, добиваются, чтобы падение напряжения на транзисторе VT2 не превышало 0,2…0,5 В, но сопротивление этого резистора никогда не должно становиться меньше 100 Ом — спалите транзистор VT1! Если же сопротивление резистора R6 равно 100 Ом и даже чуть меньше, а падение напряжения на транзисторе VT2 превышает 0,5 В, его нужно заменить более мощным (по току). Просто у любого биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, сопротивление перехода коллектор — эмиттер уменьшается не до нуля, а до некоторого значения, ниже которого оно никогда не бывает. Это сопротивление называется сопротивлением базы (вспомните, как устроен биполярный транзистор: толстые слои коллекторного и эмиттерного переходов и между ними очень тонкая базовая область; для большей простоты считается, что сопротивление коллекторной и эмиттерной областей равны нулю и только разделяющая их базовая область обладает некоторым сопротивлением — от 0,01 до 10 Ом, и чем мощнее транзистор, тем оно меньше). Допустим, что сопротивление базы выбранного вами транзистора равно 0,6 Ом. Тогда, если ток нагрузки равен 1 А, минимально возможное падение напряжения на таком транзисторе будет около 0,6 Ом · 1 А = 0,6 В. То есть он нам не подходит — будет слишком сильно греться, а когда-нибудь и вообще сгорит — если внезапно незначительно увеличится ток нагрузки. Кстати, сопротивление базы можно измерить только таким путем — при измерении через базовый переход транзистора пропускают ток, в 1…5 раз меньше тока коллектора (чем меньше базовый ток, тем меньше шансов спалить транзистор). Ток коллектора обычно выбирают побольше — тогда падение напряжения на транзисторе будет «более заметным», но не больше максимально допустимого для данного транзистора тока.

Импульсы с коллектора транзистора VT2 через дроссель L1 поступают в нагрузку. Напряжение на конденсаторе С2 зависит от потребляемого нагрузкой тока — чем больше ток, тем меньше напряжение. Скомпенсировать это можно, увеличив сопротивление резистора R5. В современных схемах подобная компенсация работает автоматически: к конденсатору С2 подключается еще один ОУ, который автоматически изменяет скважность сигнала на выходе DA1 так, чтобы напряжение на выходе всегда оставалось неизменным, т. е. функционирует так же, как и система АРУ. Такую схему мы рассмотрим чуть позже.

Основной параметр катушек индуктивности — их индуктивность. В нашей схеме индуктивность L1 должна быть побольше, поэтому ее нужно намотать на каком-нибудь сердечнике: при намотке катушки на магнитном сердечнике ее индуктивность увеличивается в некоторое число раз, которое называется магнитной проницаемостью сердечника. Магнитная проницаемость даже самых плохих сердечников превышает 50, т. е. катушка с некоторой заданной индуктивностью при использовании сердечника имеет в 50 раз меньше витков, чем такая же катушка, но без сердечника. При этом вы экономите и провод, и занимаемое катушкой место, а также значительно уменьшаете активное сопротивление обмотки катушки. Катушки индуктивности, в которых есть магнитный сердечник, называются «дроссель».

В качестве сердечников обычно используют или железные пластины (пример — трансформаторы), или кольца из так называемого «феррита»: железные пластины хороши только при использовании их в низкочастотных устройствах (до 400 Гц) — на большей частоте они начинают греться и КПД устройства резко уменьшается. Связано это с возникающими токами Фуко (вихревыми токами), причина которых — ненулевая толщина пластин и их низкое сопротивление. В идеальном сердечнике ток должен течь только вдоль пластин (перпендикулярно катушке), но т. к. пластины имеют некоторую толщину, то часть тока течет поперек пластин, причиняя только вред. Поэтому современные железные сердечники составляют из множества изолированных лаковым покрытием пластин, толщина одной пластины гораздо меньше ее длины, и на вихревые токи тратится лишь ничтожная часть энергии. Но все равно железный сердечник хорошо работает только на частотах до 400 Гц — на больших частотах толщина пластин должна быть очень малой, и с такими пластинами будет сложновато работать.

На частотах более 400 Гц обычно используют ферритовые сердечники. Феррит — это скорее керамика, чем металл, и электрический ток он не проводит. Поэтому внутри него электрический ток не возникает, т. е. нет и вихревых токов, при любой толщине сердечника. Ферриты нормально работают на частотах до десятков мегагерц; на больших частотах слишком большая индуктивность не нужна, и вполне достаточно обычной катушки без сердечника.

Для работы в этой схеме лучше всего использовать ферритовое кольцо типоразмера Κ20χ10χ5, т. е. его внешний (полный) диаметр равен 20 мм, внутренний (диаметр отверстия) — 10 мм, толщина — 5 мм. Число витков дросселя L1 — около 50…100 проводом диаметров 0,5…0,8 мм в лаковой изоляции (таким проводом наматываются трансформаторы, электродвигатели и прочие «железяки», в которых электрический ток превращается в магнитное поле и (или) наоборот). Катушка наматывается поперек кольца, т. е. провод вдевается в кольцо, вытягивается с противоположной стороны, оборачивается вокруг наружной части кольца и снова вдевается в него. И так — 50… 100 раз. Витки желательно располагать рядом (каждый последующий — возле предыдущего); если длины внутренней поверхности кольца «не хватает» для того, чтобы расположить всю катушку в один слой, мотают второй (и так далее) слой, но направление намотки каждого последующего слоя должно совпадать с направлением намотки предыдущего!

Кольцо можно взять как большего, так и меньшего диаметра, при этом в первом случае нужно несколько увеличить число витков и уменьшить диаметр проволоки (ток нагрузки уменьшится), а во втором — уменьшить число витков, причем если увеличить диаметр проволоки, то, подобрав транзистор VT2, можно будет увеличить ток нагрузки. Кольца с внешним диаметром менее 10 мм имеет смысл использовать только при токе нагрузки не более 100 мА, хотя, в принципе, можно увеличить рабочую частоту схемы и заменить транзисторы VT1 и VT2 более высокочастотными — тогда число витков дросселя нужно будет уменьшить, т. е. его можно будет намотать более толстым проводом, благодаря чему максимально допустимый ток нагрузки увеличится.

Диод VD3 должен быть одновременно и высокочастотным, и мощным. К сожалению, большинство мощных диодов слишком инерционны (из-за значительной емкости перехода) и сильно снижают КПД схемы. Из отечественных диодов для этой схемы наиболее пригодны 1,5-амперные КД226 и 10-амперные КД213.

Параллельно конденсатору С2 желательно подключить пленочный или керамический конденсатор емкостью 0,047…0,22 мкФ. Просто электролитические конденсаторы, из-за особенностей внутреннего строения, инерционны и плохо реагируют на высокочастотные импульсы, поступающие через катушку L1. Из-за этого резко возрастают пульсации выходного напряжения и несколько снижается КПД устройства. «Быстродействующий» конденсатор малой емкости (он называется «блокирующим» — не путайте его с «фильтрующим» конденсатором С2!) блокирует прохождение импульсов на выход, заряжаясь сам, а во время паузы между импульсами он передает свой заряд (очень небольшой, но ведь и длительность импульса невелика) конденсатору С2 и в нагрузку.

Одна из особенностей такого блока питания — у него, правильно собранного и настооенного, ток в нагрузке может превышать потребляемый от источника питания ток! Связано это с тем, что импульсный блок питания трансформирует напряжение и ток, и

где UnT и 1пит — соответственно, напряжение питания и потребляемый от источника питания ток; UH и 1н — напряжение и ток в нагрузке.

То есть в идеальном случае, если напряжение на нагрузке в 10 раз меньше напряжения питания схемы, то эта схема (импульсного блока питания) от источника питания (сетевого выпрямителя, аккумуляторов) потребляет ток, в 10 раз меньше тока нагрузки. Рассмотренная выше схема линейного стабилизатора (рис. 1.42) при любом напряжении в нагрузке потребляет от источника питания ток, равный и даже чуть больший тока нагрузки.

Но это только в идеальном случае, когда КПД импульсного блока питания равен 100%. В реальных схемах из-за инерционности работы мощных транзисторов и диодов, а также из-за неидеально подобранной индуктивности дросселя L1 (в этой схеме лучше изменять не индуктивность дросселя, а частоту генератора — подбором емкости конденсатора С1) КПД редко бывает выше 80…90%. Но это тоже немало, особенно при большой разности между входным и выходным напряжениями: ведь у линейного стабилизатора в таком случае КПД стремится к нулю. У импульсного стабилизатора КПД практически не зависит от разности напряжений и всегда максимален.

Чем выше КПД устройства, тем меньше вы платите за потребляемую им электроэнергию. Кроме того, при увеличении КПД резко уменьшается нагрев силовых элементов (т. е. мощного транзистора и диода). Мой блок питания, собранный с использованием в выходном каскаде мощного полевого транзистора, при мощности нагрузки 40 Вт (электропаяльник) практически не греется — на транзисторе выделяется чуть больше 1 Вт, а столь ничтожную мощность он способен рассеивать самостоятельно, без радиатора. Но до него я пользовался «услугами» линейного стабилизатора, который при той же мощности нагрузки и той же разности между входным и выходным напряжениями перегревался даже при использовании радиатора размером с эту книгу. А ведь на нагрев тоже нужно затратить энергию!

Единственный недостаток импульсного стабилизатора — очень высокий уровень помех как в нагрузке, так и в источнике питания стабилизатора. Кроме того, магнитное поле вокруг катушки L1 работающего на некоторую нагрузку стабилизатора переменно, т. е. дроссель излучает мощные электромагнитные помехи. Эти помехи способны заглушить все низкочастотные длинноволновые радиостанции в радиусе десятков метров от дросселя.

Бороться с этими «напастями» можно, хотя и очень сложно. Уменьшить уровень помех в проводах можно, увеличив емкость конденсаторов С2 и СЗ (СЗ должен располагаться в непосредственной близости от эмиттерного вывода транзистора VT2 и анода диода VD3 — его желательно припаять прямо к выводам этих элементов), а также припаяв параллельно им блокирующие малоинерционные конденсаторы небольшой емкости. А вот с электромагнитными помехами бороться сложнее. В принципе, если вы не собираетесь эксплуатировать блок питания совместно с длинноволновым радиоприемником, то с ними можно и не бороться — больше ни на что они не влияю-1·. Но если их нужно устранить, дроссель L1 следует экранировать, т. е. «спрятать» в. любую полностью закрытую металлическую коробочку (позаботьтесь о надежной электроизоляции!), причем толщина ее стенок не должна быть меньше 0,5…1,0 мм. Для того чтобы силовые линии вокруг дросселя не замыкались на экране, расстояние от любой точки на поверхности дросселя до экрана не должно быть меньше половины его диаметра.

Из-за этой особенности импульсные источники питания, в основном, эксплуатируют только совместно с мощными цифровыми схемами — им пульсации напряжения питания «до лампочки». Для питания маломощных аналоговых схем нужно использовать только линейные стабилизаторы: аналоговые схемы, особенно имеющие значительный коэффициент усиления, крайне чувствительны к помехам, поэтому лучше сразу пожертвовать КПД, чем потом пытаться устранить помехи. Но в некоторых случаях, когда диапазон рабочих частот аналоговой схемы не соприкасается с рабочей частотой блока питания (например, усилитель работает в диапазоне 20…20000 Гц, а частота генератора источника питания равна 100000 Гц), а также если коэффициент усиления очень невелик, то их можно подключать друг к другу. В принципе, хороший блок питания (импульсный) ничего не излучает, а хороший усилитель чувствителен только к сигналу на входе, а не к помехам в проводах питания. Проблема только в том, что придумать и собрать такие схемы очень сложно…

И в конце параграфа — несколько слов об мощных УМЗЧ. Как правило, выходные транзисторы таких усилителей работают только в линейном режиме — существующие к моменту написания книги (2003 г.) мощные цифровые УМЗЧ или по экономичности были даже хуже линейных, или очень сильно искажали сигнал. А транзистор в выходном каскаде линейного УМЗЧ подчиняется тем же законам, что и схема на рис. 1.42. К сожалению, исправить ситуацию пока ничем нельзя, поэтому здесь я расскажу только о том, как можно косвенно уменьшить нагрев выходных транзисторов.

Во-первых, напряжение питания усилителя должно быть согласовано с сопротивлением нагрузки. Например, усилитель будет эксплуатироваться с колонкой сопротивлением 4 Ом и должен выдавать мощность до 50 Вт. При такой мощности напряжение на колонке должно составлять(амплиту да переменного напряжения). Учитывая небольшое падение напряжения на силовых (выходных) транзисторах (ведь их ни в коем случае нельзя доводить до насыщения!), напряжение питания усилителя должно равняться ±17…20 В. Если напряжение питания будет меньше, усилитель не «раскачается» до 50 Вт, если же больше — на выходных транзисторах, при том же протекающем через них токе, будет падать большее напряжение, т. е. они будут сильней греться (нужны будут большие теплоотводы). Существуют также мостовые УМЗЧ — они состоят из двух УМЗЧ, работающих в противофазе на общую нагрузку; для получения тех же 50 Вт х 4 Ом, питать мостовой усилитель можно от источника ±8…10 В, но при этом потребляемый ток возрастет менее, чем в 2 раза, т. е. экономичность (КПД) мостового УМЗЧ выше, чем у обычного. Связано это с тем, что в любом линейном УМЗЧ, в его выходных каскадах, протекает некоторый сквозной ток — ток покоя. Ведь для уменьшения искажений сигнала, из-за неидеальности вольт-амперной характеристики транзисторов при небольшом напряжении на базе (затворе), их нужно немножко приоткрыть — тогда транзисторы попросту не будут «заходить» в нелинейный режим. А так как ВАХ транзистора очень слабо зависит от напряжения питания, то ток покоя и высоковольтных, и низковольтных усилителей практически одинаков. Поэтому «мощность покоя» меньше у низковольтного усилителя, т. е. такой усилитель греется слабее высоковольтного.

Как это ни странно, но сильнее всего усилитель греется при «средней» выходной мощности (громкости), а при минимальной и максимальной громкости звука транзисторы греются гораздо слабее. Но ничего странного здесь нет. Просто при минимальной громкости звука, хотя напряжение на выходных транзисторах и довольно значительно, но протекающий через них ток ничтожен, и мощность Р = I · U, выделяющаяся на них, тоже минимальна. При максимальной выходной мощности протекающий через транзисторы ток значителен, зато падение напряжения на них очень мало (транзисторы работают практически в ключевом режиме). Поэтому выделяющаяся в этом режиме на транзисторах мощность тоже невелика. При «средней» выходной мощности значителен и ток нагрузки, и падение напряжения на транзисторах, поэтому и греются они довольно сильно.

Современная электронная промышленность (в основном зарубежная) выпускает довольно широкий ассортимент УМЗЧ в интегральном исполнении (т. е. в виде одной микросхемы, «внутри» которой собран весь УМЗЧ) — схемы включения некоторых микросхем собраны на рис. 1.46. УМЗЧ лучше всего собирать именно на таких микросхемах (а не «по старинке», на десятке транзисторов), ведь микросхемы уже настроены, их параметры идеально выставлены еще на заводе-изготовителе, с ними проще работать и они стоят гораздо дешевле вышеупомянутого десятка транзисторов. Кроме того, большинство интегральных УМЗЧ имеют различные «навороты» (режим пониженного энергопотребления, защита от короткого замыкания в нагрузке и перегрева кристалла, встроенный контроллер напряжения питания), которых нет в обычных УМЗЧ и которые способны значительно продлить «жизнь» усилителя, особенно если он работает на пределе своих возможностей. Поэтому, если вы не предъявляете к звуку УМЗЧ сверхвысоких требований, его лучше всего собрать на микросхемах — заодно и на деталях сэкономите.

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

Оставить комментарий

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