Обустройство рабочего места – Радиолюбительская азбука

July 5, 2015 by admin Комментировать »

Для успешных занятий электроникой, также как и любой другой технической наукой, необходима довольно солидная «база». Но на первых порах «солидность» не обязательна, поэтому можно обойтись очень небольшим и довольно дешевым набором инструментов и приборов. В этой главе будут рассмотрены «самые незаменимые» элементы этого набора. Без них занятия электроникой, даже на начальном уровне, будут приносить скорее мучения, а не удовольствие. Приводимый ниже список далеко не полный, и, по мере «взросления», его желательно расширять.

Источник электропитания

Радиолюбителям доступны 4 вида источников питания: батарейки (точнее, гальванические элементы), аккумуляторы, солнечные элементы и сетевые блоки питания. Батарейки «отлетают» сразу — разоритесь. Также практически непригодны и «капризные» солнечные элементы: стоят дорого, нормально работают только в ясную погоду, имеют значительные массу и размеры и выдают в нагрузку ничтожный ток. Правда, для самых популярных ныне КМОП-микросхем этого тока хватает с лихвой, а большие пластины выдают довольно приличный ток.

Остались аккумуляторы и сетевые блоки питания. Идеально, если у вас есть и то, и другое. Сетевой блок питания дешев и прост, его выходное напряжение можно легко регулировать. Но он не подходит для тех устройств, которые должны работать круглосуточно (например, электронные часы) или бесперебойно (компьютер). В таких случаях кратковременное, даже на несколько секунд, исчезновение напряжения в сети может привести (и приводит) к катастрофе.

Для избежания этого достаточно просто подключить параллельно выходу блока питания аккумулятор — если напряжение питания нагрузки не очень велико (6 — 9 — 12 — 24 В постоянного тока), или, если нагрузка работает от высоковольтного переменного напряжения, подключить нагрузку к аккумулятору через преобразователь напряжения (рис. 3.1). Напряжение на выходе блока питания в обоих случаях должно быть таким, чтобы не превышать максимально до-

Рис. 3.1. Защита аппаратуры от пропадания напряжения в сети с помощью аккумулятора: а — низковольтной; б — высоковольтной пустимое напряжение на аккумуляторе. Буквами «АС» на схемах обозначается переменное напряжение (по старому отечественному стандарту оно обозначается более удобным знаком «~»), а— постоянное или пульсирующее.

Еще один «плюс» аккумуляторов — способность при небольших габаритах и высоком КПД кратковременно выдавать в нагрузку огромные токи — до

30..                 . 1000 А; даже у «пальчиковых» аккумуляторов (размеры 14,5 х 50,0 мм) ток короткого замыкания достигает 5…10 А. Блок питания на такой же ток и напряжение будет размером со стакан.

Для работы больше всего подходят щелочные аккумуляторы (к ним относятся никель-кадмиевые — NiCd, никель-металлгидридные — NiMh и серебряно-цинковые — AgZn); желательно, чтобы они были в корпусе, который имеет вентиляционные отверстия и допускает доливку дистиллированной воды — из аккумулятора при перезарядке (которая практически неизбежна) и коротком замыкании выделяются газы (электрохимическое разложение жидкого электролита на исходные газообразные вещества). Емкость аккумуляторов желательна побольше — не менее 5…20 ампер-час, напряжение батареи аккумуляторов должно быть в пределах 9…15 В. Если напряжение меньше 9 В — его будет «не хватать» при настройке некоторых (автомобильных) устройств, напряжение больше 12… 15 В — уже излишек: современные устройства, требующие бесперебойного питания, как правило, низковольтны, а мощный высоковольтный усилитель можно подключить и через преобразователь напряжения.

Вместо щелочных можно использовать кислотные (свинцовые) аккумуляторы. Они гораздо дешевле и доступнее (продаются во всех магазинах автозапчастей) щелочных аккумуляторов и при той же мощности (ватт/час) имеют гораздо меньшие габариты. Единственный недостаток кислотных аккумуляторов — при глубоком разряде происходит необратимая сульфатация пластин, из-за которой со временем сильно снижается емкость аккумулятора. Поэтому их нельзя разряжать до напряжения менее 1,8…1,9 В на одну банку. Щелочные аккумуляторы к глубокому разряду (т. е. почти до нуля) нечувствительны.

Как правило, кислотные аккумуляторы соединяются в батареи еще на заводе-изготовителе, в отличие от щелочных, которые продаются «в розницу». Если у вас есть возможность выбора, то лучше «поддержите отечественного производителя» и выберите «наш» аккумулятор — тот, у которого выводы от каждой банки (борны) соединены с выводами соседних банок толстыми перемычками на поверхности аккумулятора, а не сварены внутри корпуса, как у большинства импортных и некоторых современных отечественных аккумуляторов. К такому аккумулятору проще подпаять провода для того, чтобы получить напряжение меньше 12 В.

А их единственный недостаток по сравнению с импортными — существенное падение напряжения на перемычках (т. к. они тоже имеют некоторое, хотя и очень малое сопротивление) при очень большом токе нагрузки — можно не учитывать, я сомневаюсь, что вы станете держать в своей «лаборатории» автомобильный стартер или другую подобную «игрушку», потребляющую ток более 100 ампер.

Для зарядки аккумулятора можно использовать любой мощный сетевой трансформаторный выпрямитель (схема простейшего нарисована на рис. 3.2). Зарядный ток должен быть ок-оло 0,1 Q (Q — емкость аккумулятора, в ампер-часах), т. е. 40-амперный аккумулятор нужно заряжать током в 4 ампера. Продолжительность зарядки — 11…13 часов. Если увеличить зарядный ток, то продолжительность заряда уменьшается, но, в любом случае, полностью разряженный аккумулятор должен получить заряд, на 10…20% превышающий его номинальную емкость (т. к. КПД аккумулятора гораздо меньше 100%, то есть часть энергии, поступающей от зарядного устройства, попросту «разбазаривается»).

Рис. 3.2. Зарядное устройство с однополупериодным выпрямителем

Продолжительность зарядки (а заодно и емкость аккумулятора) можно определить экспериментальным путем: когда-нибудь разрядите аккумулятор полностью (напряжение на банках должно снизиться до 1,7 В при токе нагрузки, равном 0,1 Q). После этого включите зарядное устройство и засеките время. Зарядку нужно продолжать до тех пор, пока в одной из банок не начнет «кипеть» электролит (идеально, если он «закипит» во всех банках одновременно). После появления первых пузырьков, не отключая зарядного устройства, измерьте напряжение на каждой банке. Оно не должно быть меньше 2,35 В, а напряжение на крайних выводах аккумулятора близко к 14,4 В.

Диод VD1 в схеме на рис. 3.2 должен быть рассчитан на ток, немножко больший зарядного, его желательно прикрутить к какой-нибудь «железяке» для улучшения теплоотвода. Резистор R1 нужен для ограничения зарядного тока, его сопротивление (обычно 1…5 Ом для тока 2 А) нужно подобрать таким образом, чтобы в аккумулятор тек именно тот ток, который нужен. Его вполне можно заменить двумя отрезками медного провода с диаметром жилы (желательно многожильный — не так быстро сломается) около 0,5…1 мм и длиной 2…5 метров. У меня такими проводами, вместо резистора, соединен выпрямитель с аккумулятором.

Трансформатор Т1 должен быть мощным и иметь на выводах вторичной обмотки переменное напряжение около 14…18 В. При намотке трансформатора (а «готового» вы, скорее всего, не найдете) желательно сделать отводы на напряжение 14, 16 и 18 В — это позволит регулировать (изменять) зарядный ток После того как вы убедитесь, что намотанный вами трансформатор исправен и не греется (сетевой трансформатор без нагрузки греться не должен; если же он греется даже на несколько градусов — в нем есть короткозамкнутые, по причине плохой изоляции, витки, но если нагрев невелик, то его можно «простить» и не перематывать другой, более «новой» проволокой), выпрямитель нужно соединить указанными выше длинными проводами (или через резистор, но резистор очень сильно греется) с аккумулятором, а к левому по схеме на рис. 3.2 выводу диода VD1 подключить обмотку с напряжением 14 В. После этого нужно немедленно измерить текущий в аккумулятор ток. Если он меньше зарядного (0,1 Q) — напряжение нужно увеличить до 16 (а потом и до 18) В, если больше — нужно удлинить соединительные провода или увеличить сопротивление резистора R1. Мощность трансформатора не должна быть меньше 40…50 Вт при зарядном токе

2..                     .3 А. Упрощенный расчет трансформатора можно найти дальше.

Единственный недостаток схемы на рис. 3.2 — то, что используется однополупериодный выпрямитель, из-за чего трансформатор сильно «стучит». Для устранения «стука» и повышения КПД устройства выпрямитель нужно собрать по двухполупериодной схеме (рис. 3.3). Схема на рис. 3.3, а — классический мостовой выпрямитель, в ней в качестве диодов VD1—VD4 можно использовать диодный мостик из скоммутированных на заводе-изготовителе диодов. Она требует напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 несколько меньшее, чем схема на рис. 3.2. На рис. 3.3, б изображен также «мостовой» выпрямитель, он требует в 2 раза меньше диодов и в 2 раза больше проволоки для обмоток трансформатора. Ток через каждую вторичную обмотку и через каждый диод VD1, VD2 течет в 2 раза меньше, чем суммарный зарядный ток, обратное напряжение на каждом диоде равно амплитудному напряжению на крайних выводах обеих обмоток, т. е. в 2 раза выше, чем на каждой обмотке. Точками на рис. 3.3, б отмечено начало каждой обмотки.

Рис. 3.3. Зарядные устройства с двухполупериодными выпрямителями

Во всех рассмотренных выше схемах зарядных устройств время заряда аккумулятора нужно ограничивать, иначе аккумулятор можно и перезарядить, а это уже опасно. Для того чтобы не приходилось каждые полчаса подходить к аккумулятору с вольтметром (как это делается во многих сельских мастерских), процесс зарядки нужно автоматизировать.

Единственный признак, по которому можно узнать степень заряженности аккумулятора, — напряжение на его выводах. Изменение напряжения на выводах заряжаемого аккумулятора (кислотного; у щелочного максимальное напряжение не 2,4 В, а 1,4 В) показано на рис. 3.4. Обычно напряжение на выводах кислотного аккумулятора равно 2,05…2.15 В и практически не зависит от степени его разряженности (но зависит от протекающего тока: чем больше ток, тем меньше напряжение — это сказывается внутреннее сопротивление аккумулятора; чем сильней разряжен аккумулятор, тем больше его внутреннее сопротивление — только таким образом можно определить степень его разряженности) При подаче зарядного тока напряжение на выводах аккумулятора скачком увеличивается на 0,05…0,2 В и через несколько секунд начинает плавно уменьшаться. Это так называемая деполяризация пластин аккумулятора, она возникает из-за ненулевого внутреннего сопротивления. Знать суть этого явления для «обычного» радиолюбителя необязательно, поэтому останавливаться на нем я не буду. Нужно только знать, что чем меньше амплитуда скачка напряжения (при неизменном токе заряда), тем лучше аккумулятор; у новых аккумуляторов этого скачка нет.

Рис. 3.4. Изменение напряжения на выводах кислотного аккумулятора при неизменном токе в цепи

При зарядке аккумулятора напряжение на его выводах очень плавно возрастает (сначала быстро, потом медленнее) и к концу зарядки (через 10…12 часов при зарядном токе в 0,1 Q) достигает 2,4 В. Если зарядный ток не отключить, напряжение на аккумуляторе довольно быстро возрастает до 2,5…2,7 В, он перестает заряжаться (т. к. весь материал пластин, участвующий в химических реакциях и «запасающий» тем самым электроэнергию, уже прореагировал), и энергия зарядного устройства тратится на химическое разложение электролита (при этом разлагается только вода — на кислород и водород; серная кислота при столь малом напряжении не разлагается) — так называемое «кипение». Само по себе «кипение электролита» не опасно — нужно попросту время от времени доливать в аккумулятор дистиллированную воду, опасно то, что на положительном электроде аккумулятора выделяется атомарный (т. е. немолекулярный) кислород, который крайне активен и «растворяет» электрод (пластину). Через некоторое время у часто «кипящего» аккумулятора могут попросту отвалиться положительные электроды (аноды), и его емкость очень резко уменьшится. Это же относится и к щелочным аккумуляторам, но у них ничего не растворяется — просто активное вещество (то, которое вступает в электрохимические реакции) становится неактивным, при этом количество активного вещества и зависящая от него емкость аккумулятора плавно уменьшаются.

Поэтому для автоматизации процесса заряда аккумулятора нам нужно устройство, которое будет «самостоятельно» отключать зарядное устройство после того, как напряжение на выводах аккумулятора увеличится до 2,4 В, или, для стандартной автомобильной шестибаночной батареи, до 2,4 х б = 14,4 В. Такое устройство удобно собрать на основе ОУ — ведь они специально предназначены для сравнения напряжений. На один из входов ОУ подадим стабилизированное образцовое напряжение, а на второй — измеряемое напряжение. Так как изменение напряжения смещения современного ОУ при изменении напряжения питания (и при неизменном напряжении на входах) ничтожно мало, то запитать его (т. е. взять напряжение питания) можно непосредственно от измеряемого аккумулятора. Но, из-за того что ОУ не работают при напряжении на входе, по амплитуде близком к напряжению питания, измеряемое напряжение нужно подать через делитель.

Схема такого устройства показана на рис. 3.5, а. На элементах Rl, Cl, VD1 собран стабилизатор образцового напряжения, а на резисторах R2 и R3 — делитель напряжения. При изменении напряжения на выводах (клеммах) аккумуля-

Рис. 3.5. Этапы создания автоматического зарядного устройства тора напряжение на выходе делителя изменяется пропорционально ему, а напряжение на конденсаторе С1, если взят хороший стабилитрон, вообще не изменяется. Для плавного регулирования напряжения срабатывания устройства один из входов ОУ нужно подключить через переменный резистор, а для того чтобы из-за пульсирующего зарядного напряжения не происходило хаотическое переключение ОУ, его чувствительность к изменению напряжения на аккумуляторе следует уменьшить, т. е. ввести положительную обратную связь (именно положительную, а не отрицательную, ведь нам нужно, чтобы напряжение на выходе ОУ изменялось резко, а не плавно), или гистерезис переключения.

Полная схема регулятора напряжения показана на рис. 3.5, б, и назначение всех элементов вам должно быть известно. ОУ DA1 можно заменить на любой другой, а резистор R7 можно вообще убрать.

Работает эта схема так: пока напряжение на аккумуляторе меньше максимально допустимого (14,4 В для автомобильной батареи), электромагнитное реле К1 обесточено и его контакт К1.1 замкнут. Потребляемый при этом схемой ток минимален и, в зависимости от типа ОУ, не превышает 2…6 мА. Если зарядное устройство включено в сеть, то в таком режиме происходит зарядка аккумулятора. Как только напряжение на его клеммах превысит максимально допустимое, ОУ переключится, реле К1 сработает и его контакты К1.1 разомкнут цепь заряда.

Так как для создания положительной обратной связи выход ОУ через резистор нужно соединить с прямым входом, то (см. рис. 3.5, а) прямой вход нужно соединить с резисторами R2 и R3 — только в таком случае ПОС будет быстродействующей (что нам и нужно, а в противном случае ПОС «придется» пытаться изменить напряжение на стабилитроне VD1, что небезопасно как для стабилитрона, так и для ОУ). Поэтому входы ОУ на рис. 3.5, б подключены именно так.

При таком включении ОУ при увеличении напряжения питания напряжение на инверсном входе не изменяется, а на прямом — увеличивается. Поэтому реле К1 должно срабатывать при появлении на выходе ОУ уровня лог. «1» (почему?). Так как выходного тока, используемого в схеме ОУ, явно недостаточно для управления мощным реле (соответственно, 20 мА и около 100 мА), то в схему добавлен усилитель на транзисторе VT1. Он включен по схеме с общим эмиттером, чтобы падение напряжения на нем было минимальным. Транзистор должен включаться при положительном напряжении на выходе ОУ, т. е. быть структуры п-р-п, и его эмиттер нужно соединить с общим проводом. Соответственно, нагрузку (реле) нужно включить между его коллектором и «плюсовым» проводом.

Так как электромагнитное реле «внутри» содержит катушку со множеством витков, создающих магнитное поле (а оно притягивает специальный толкатель, замыкающий или размыкающий контакты), то при обесточивании (т. е. «выключении») катушки реле транзистором VT1 возможно возникновение ЭДС самоиндукции, направленной в противоположную сторону (т. е. напряжение на нижнем выводе катушки К1 больше, чем на верхнем). Амплитуда ЭДС самоиндукции довольно велика (теоретически — бесконечно велика, но из-за тока утечки она редко бывает выше нескольких тысяч вольт), и такого напряжения вполне достаточно, чтобы пробить коллекторный переход транзистора VT1. Для защиты транзистора в схему добавлен диод VD2 — он открывается только при возникновении ЭДС самоиндукции и ограничивает напряжение последней на уровне 0,6…0,8 В — столь малое увеличение напряжения на коллекторе транзистора абсолютно безопасно. Величина тока самоиндукции не очень велика, поэтому диод VD2 — любой маломощный.

Величина гистерезиса зависит от сопротивления резистора R5 и подбирается на стадии настройки устройства. Для этого полностью собранное устройство нужно подключить к аккумулятору и зарядному устройству, к выводам аккумулятора также нужно подключить вольтметр. Вместо постоянного резистора R5 впаяем переменный, полное сопротивление которого более 0,6…1,0 МОм, его движок нужно установить в такое положение, чтобы сопротивление было максимальным.

Если движок резистора R4 установлен в верхнее по схеме положение, то сразу после подключения устройства к аккумулятору реле К1 сработает и сразу же отключится (почему? — сравните, с какой скоростью нарастают напряжения на каждом из входов ОУ). После того как напряжение на аккумуляторе, благодаря зарядному устройству, повысится до 14,4 В (здесь и далее под «аккумулятором» подразумевается автомобильный кислотный), вращая движок резистора R4, нужно добиться срабатывания реле. Возможно, что при этом реле начнет хаотически включаться — выключаться с характерным треском (ведь напряжение на выходе зарядного устройства пульсирующее, и через цепочку R2-R3 все пульсации поступают на вход ОУ; кроме того, сразу после отключения зарядного устройства напряжение на аккумуляторе уменьшается на 0,2…0,5 В). Самый простой способ устранить этот недостаток — увеличить амплитуду напряжения гистерезиса, уменьшив сопротивление резистора R5. Уменьшать его нужно до тех пор, пока реле не перестанет «трещать». После этого «крутаните» движок резистора R4 так, чтобы реле обесточилось и его контакты замкнулись, и как только напряжение на аккумуляторе достигнет 14,4 В, медленно вращайте движок R4 в обратную сторону — пока реле не сработает. По вольтметру следите, при каком напряжении реле обесточится — оно должно быть не более 13,8 В. Если оно больше — уменьшите сопротивление резистора R5 и все повторите снова. После того как вы правильно отрегулируете устройство, можно измерить сопротивление резистора R5 и впаять на его место постоянный резистор такого же сопротивления.

Реле К1 в этой схеме можно использовать любое, но его катушка должна быть рассчитана на 10…12 В, а контакты — на коммутацию высокого напряжения (220 В) и тока около 0,5 А.

Громко «стучащее» реле в этой схеме можно заменить симисторным выключателем (но обязательно с гальванической развязкой!), включенным в разрыв сетевого провода (там ток меньше в 220 В : 15 В = 15 раз, т. е. «выключатель» слабее греется). Для этих целей идеально подходит схема на рис. 2.3, к. При этом в схеме зарядного устройства (рис. 3.5) резистор R6 и все, что правее его, можно убрать. Диоды VD3, VD4 желательно оставить или заменить их стабилитроном КС133…168.

Существует еще один вариант «зарядного» устройства, в котором схема регулировки не нужна вообще. Для этого обмотку трансформатора обычного выпрямителя (рис. 3.2, 3.3) нужно рассчитать таким образом, чтобы выпрямленное напряжение на выходе в точности равнялось максимально допустимому для аккумулятора (14,4 В). При этом токоограничительный резистор R1 не нужен вообще, а само зарядное устройство можно отключать только по праздникам В такой схеме зарядный ток экспоненциально (рис. 3.6) уменьшается по мере заряда аккумулятора — ведь напряжение на разряженном аккумуляторе гораздо меньше 14,4 В, и он заметно «нагружает» выход зарядного устройства. Такой режим зарядки считается идеальным для мощного аккумулятора, кроме того, он и наиболее «скоростной» (зарядный ток в начале зарядки может достигать 0,2…0,5 Q — диоды и трансформатор должны быть рассчитаны на него!). Но уРис. 3.6. Зависимость тока заряда (а) и степени заряженности (б) аккумулятора от времени, при неизменном зарядном напряжении. Imax — максимальный ток, который «выдает» зарядное устройство этого способа есть два недостатка: во-первых, очень трудно рассчитать обмотку трансформатора с точностью в 0,1…0,2 В (а иначе аккумулятор будет или недозаряжен, или перезаряжен), а во-вторых, при случайном изменении напряжения в сети относительно 220 В (допускаются колебания 200…240 В) изменится и напряжение на выходе выпрямителя. Поэтому лучше всего «раскошелиться» на автоматический регулятор напряжения (подобный изображенному на рис. 3.5), тем более что детали к нему стоят гораздо дешевле нового аккумулятора.

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