ОТ ИГРУШКИ ДО ПАЯЛЬНИКА

Во многих современных квартирах (не говоря уже о школьных кабинетах физики, а тем более о научно-исследовательских лабораториях и производственных цехах) немало разнообразных блоков электропитания (БЭП): от нестабилизированных «силовиков», рассчитанных на основательную нагрузку, до регулируемых маломощных выпрямителей для зарядки дисковых аккумуляторов, подключения микропаяльников, электрифицированных игрушек и «карманной электроники». Но практически у любого из таких устройств, к сожалению, лишь сугубо своя, предельно узкая область применения с теми или иными ограничениями и недостатками.

В частности, многие из блоков электропитания не способны обеспечить стабильность выходного напряжения с нижним пределом регулировки менее 1 В. К тому же у большинства БЭП крайне несовершенны (а зачастую попросту отсутствуют) схемы защиты. Да и эксплуатационные характеристики подчас далеки от совершенства. Особенно у простейших, получивших широкое распространение технических решений с низкоомными резисторами, «допотопными» электромагнитными реле в цепях коммутации, управления, защитной блокировки…

Более универсален блок питания сделан своїми руками, о возможностях которого дают представление следующие его параметры:

Диапазон регулировки выходного напряжения, В….0,5—15

Максимальный ток нагрузки, А…………………………………….2

Пределы стабилизации тока Iмакс, А…………………….0—1,5

Принципиальная электрическая схема данного устройства воспринимается поначалу как непомерно усложненная. Но четкое уяснение логики функционирования деталей, узлов и систем БЭП показывает, что в схеме нет ничего лишнего. К тому же все с лихвой окупается надежностью работы устройства и тем, что запускать и использовать блок можно поначалу не в полном объеме, а по частям.

Стабилизатор напряжения — один из основных узлов универсального самодельного БЭП — собран на микросхеме DA1, представляющей собой операционный усилитель (ОУ). На прямой вход от потенциометра R3 подается Uоп, в то время как на инверсный поступает Uвык. Разница этих напряжений усиливается с соответствующим знаком и воздействует на полупроводниковые триоды VT2, VT3.

Ток через VD8, VD9 стабилизирован транзистором VT1, работающим совместно с резистором R2. Но здесь вполне приемлемо и обычное 510-омное сопротивление, рассчитанное на мощность рассеивания 0,5 Вт. Конденсатор С8 сглаживает «шорохи» при движении ползунка потенциометра R3. Другое предназначение данного технического решения — предотвращать выбросы высокого напряжения при включении прибора. Оно и понятно: С8 тогда разряжен и Uon какое-то время равно нулю.

К сожалению, ни один операционный усилитель не может выдать Uвых, равное напряжению питания. Да и на изменения входных токов у «операционника» слабая реакция. А потому пришлось пойти на дополнительное снижение минусового питания ОУ, используя специальный источник минус 3,3 В, выполненный на радиоэлементах VD3, VD4, С4, R1, VD10, С5. Иначе было бы затруднено получение малых выходных напряжений и обеспечение должной защиты самой схемы от возникновения в ней коротких замыканий (КЗ).

Принципиальная электрическая схема самодельного блока электропитания.

Стабилизатор тока собран на «операционнике» DA2. Именно он и защищает универсальный блок электропитания от перегрузок и КЗ. Предназначенный прежде всего для аварийного режима, стабилизатор стал, по сути, основным узлом устройства при зарядке аккумуляторов, проведении операций, связанных с гальваникой, а также при выполнении ряда физических опытов и особо точных измерений.

Микросхема DA2 сравнивает два напряжения, обычно перекрывающие Uвых на небольшую величину. Превышение одного стабильно из-за нелинейности характеристики VD13, а также по той причине, что ток через указанный диод стабилизирован VT4—R9. Использование резистора-замены здесь, в отличие от упомянутых — VT1—R2, недопустимо.

Превышение напряжения, снимаемого при верхнем (по схеме) положении движка потенциометра R8, составляет 0,15 В. Другое, не менее важное превышение зависит от тока нагрузки. Надо, чтобы падение напряжения U при максимальном Iвых составляло 0,1 В. Резистор R7 может представлять собой отрезок тонкого монтажного провода сопротивлением 0,02 Ома при миллиамперметре с шунтом 0,03 Ома.

И еще немного о стабилизаторе и схемах защиты. Чего только раньше не городили, улаживая их «взаимоотношения»! Шли даже на то, чтобы (для возвращения блока электропитания в режим работы со стабилизатором напряжения) отключать на короткое время сам БЭП.

А ведь логика взаимодействий здесь проста: стабилизаторы напряжения и тока работают одновременно, управление же регулирующим транзистором передается тому, который требует наименьшего его открытия. Это обеспечивается VD11, VD12, R4. Причем резистор R4 выбирается равным минимально допустимому (для примененного ОУ) сопротивлению нагрузки. Увеличение его номинала может привести к снижению быстродействия и нагрузочной способности стабилизаторов.

Задача R10 и R11 — спустить на «землю» обратные токи VT2 и VT3 (для R11 — это еще и ток через VD13) так, чтобы падение напряжения не превышало минимального Uвых.

Учитывая, что при максимальном Uвых бесполезный холостой ток через R11 возрос бы в 30 раз, нижний конец столь важного резистора следует подключить к источнику минус

3,3 В. Несомненно, это позволит увеличить его сопротивление. Разность же напряжений — всего лишь 5-кратная (18,3/3,8 В).

Нежелательное появление на выходе отрицательного напряжения (скажем, в моменты включения-выключения схемы) предотвратит диод VD14. Но если попадутся транзисторы с большим начальным током, то номиналы резисторов R10, R11 придется уменьшить. Признаком возникновения данной ситуации послужит невозможность получения заявленного минимального Uвых, причем только на холостом ходу.

Диод VD7 предотвращает разряд на низкоомные цепи конденсаторов С6 и С7 между импульсами выпрямленного тока. Благодаря такому техническому решению и достигается нужный результат — питание задающих узлов осуществляется от источника с хорошо сглаженным напряжением.

Повышению удобств при эксплуатации БЭП служит специально собранный индикатор режима работы. Микросхема DA4 играет здесь немаловажную роль, сравнивая напряжения на выходах операционных усилителей DA1 и DA2 и зажигая с помощью транзистора VT6 соответствующий светодиод (HL1 «I» или HL2 «U»).

Известно, что для подавляющего числа БЭП самым тяжелым является режим работы с низким Uвых и большим током нагрузки. Оно и понятно: почти все напряжение, поступающее от выпрямителя, падает на регулирующем транзисторе, а так называемая мощность рассеивания становится обременительной даже для хорошего радиатора.

Компоновка блока и его габариты.

Практика подсказывает и путь к облегчению подобной ситуации: при малых Uвых следует уменьшать напряжение выпрямителя, переключая соответствующие отводы у сетевого трансформатора. Однако введение для этого в конструкцию БЭП многопозиционного переключателя не всегда оправдано из-за ряда неудобств. Да и стабилизатор тока оказывается не в силах работать с таким устройством, когда для поддержания заданного тока требуется экстренная прибавка напряжения.

В рассматриваемом самодельном блоке питания использовано компромиссное решение: пределов изменения напряжения всего два. То есть налицо заметный выигрыш по сравнении с однопредельным вариантом, да к тому же возможность применения элементарной автоматики на основе электромагнитного реле К1. Причем порог переключения выбран так, что напряжения 5 В и 6,3 В (на которых чаще всего и встречаются сильноточные нагрузки) приходятся на нижний предел. Для облегчения режима работы контактов реле введен искрогасящий резистор R17.

У примененных здесь операционных усилителей быстродействие и коэффициент усиления регулируются за счет пропускания определенного (малого) тока через вывод 8. Номиналы же у резисторов R5 и R6 такие, чтобы максимально облегчать вывод микросхем стабилизаторов на максимальный режим (последнее, впрочем, не является обязательным для DA3, DA4).

Теперь о деталях: 50-ваттный Т1 собран на базе популярного (особенно среди начинающих радиолюбителей) набора «Сделай сам трансформатор». В основе его магнитопровод ШЛМ25х25 с обоймой и каркасом, на который намотаны экранная и сетевая (1070 витков ПЭТВ2-0,28) обмотки. Имеющим все это остается только последовательно намотать (например, проводом ПЭВ2-0,85) четыре секции вторичной обмотки, чтобы крайние содержали по 45 витков, а средние — по 50.

Если нет возможности намотать такой трансформатор или найти готовый, то блок электропитания можно сделать с изменениями: диоды VD3 и VD4 переместить на крайние выводы, номинал резистора R1 увеличить вдвое, а коллектор транзистора VT3 и главную сглаживающую батарею конденсаторов С1 подключить к выпрямителю +21 В.

Вообще-то, схема трансформатора и выпрямителя может быть и другой, способной обеспечивать напряжения в пределах от минус 2,5 до минус 4 В (при токе 15 мА), а также +11…+13 В и +21…+25 В (при полном токе нагрузки). Причем если Uвыпрямителя получится близким к +25 В, то желательно в качестве VD8 использовать полупроводниковые приборы типа Д814В или Д814Г, рассчитанные на широкий диапазон напряжений. К тому же нельзя забывать, что более высокое напряжение, поступающее от выпрямителя, опасно для примененных в БЭП микросхем и полевых транзисторов.

Конденсатор С1 — составной. Его общий номинал можно постепенно наращивать в ходе эксплуатации, хотя начинать меньше, чем с двух конденсаторов суммарной емкостью 3000 мкФ, не стоит. Керамические С2, С7, С10 «берут на себя» высокочастотные помехи, с которыми «электролиты» плохо справляются. Надежнее других работают конденсаторы типа КМ или КЛС, но подойдут и современные К10-7, К10-17. Емкость такой батареи может быть больше значения, которое указанно на принципиальной электрической схеме.

Резисторы используются самые распространенные, с допустимым для большинства случаев 20-процентным отклонением номиналов сопротивлений. Мощность рассеивания — в соответствии с условными обозначениями на принципиальной электрической схеме.

В качестве VT1 следует использовать полевой транзистор КП303Е с Iснач не ниже 10мА, а на месте VT4 приемлем любой «полевик» из этой серии. Подбирать R2 и R9 для них удобнее до установки на плату, запитав от какого-нибудь источника постоянного тока с напряжением 4,5—6 В. Транзистор VT6 — любой из маломощных биполярных типа n-p-n c Uкз макс > минус 25 В. Аналогичное требование и к VT5, за исключением того, что он должен быть уже не малой, а средней мощности. В качестве VT3 подойдет любой транзистор из серий КТ805, КТ808. Достаточно широкий выбор и для VT2. Приемлем КТ602 с любым буквенным индексом в наименовании, или КТ604Б. Составному же КТ829 и ему подобным транзисторам здесь не место. В противном случае устойчивая работа стабилизатора тока не гарантирована.

Во избежание перегрева (при значительных токах и малом Uвых) транзистор VT2 целесообразно устанавливать хотя бы на небольшой радиатор. А вот для VT3 требуется теплорассеиватель максимально возможной площади. Желательно, чтобы корпуса у этих транзисторов были металлическими, а произведение коэффициентов усиления VT2, VT3 — не меньше 2400.

Все микросхемы, используемые в самодельном блоке электропитания, марки К140УД12. Но можно поэкспериментировать и с другими ОУ. Требования таковы: высокое входное сопротивление и устойчивость работы в широком диапазоне питающих напряжений. Вдобавок ко всему, каждый из усилителей не должен нуждаться в симметричном подключении к источнику электропитания со средней точкой. При использовании более мощных ОУ желательно уменьшить R4. Это облегчит получение больших токов и снизит требования к усилению для VT2 и VT3.

Стабилитроны VD10 и VD15 могут быть любыми, но обязательно с Uct = 2,5…4 В. В качестве VD11—VD14 хорошо подходят германиевые импульсные, высокочастотные или универсальные диоды; VD3, VD4, VD7, VD16 — любые из маломощных полупроводниковых вентилей, тогда как VD7 лучше иметь германиевый. Обратное напряжение почти у всех используемых в БЭП диодов не меньше 30 В, за исключением разве что выпрямительных VD1—VD6 (у них данный параметр доходит до 100 В и более).

В заключение несколько слов о реле. Оно должно обладать достаточно мощными контактами и надежно срабатывать при подаче на обмотку К1 напряжения в пределах 16—21 В. Значит, приемлемо любое РЭС6 с паспортами РФ0.452.113, РФ0.452.1 03, а также РЭС9 с паспортами РС4.524.200, РС4.524.201, РС4.529.029-00, РС4.529.029-01, РС4.529.029-07, РС4. 529.029-09.

А. ЛИСОВ, г. Иваново