Каталог радиолюбительских схем

ЛАБОРАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

А. МУЗЫКОВ, г. Пенза

Этот лабораторный источник питания радиоаппаратуры — результат практической деятельности небольшой группы ребят из подросткового радиотехнического клуба "Радар" (г. Пенза). Он представляет интерес для тех, кто занимается разработкой аппаратуры на операционных усилителях и современных микросхемах, требующих одно- и двуполярного напряжения питания, регулируемого в достаточно широком диапазоне.

Особенностью этого лабораторного источника питания является узел защиты. Известно, что для некоторых микросхем, рассчитанных на питание от источника двуполярного напряжения, недопустима ситуация, когда одно из них отсутствует. Для исключения таких ситуаций в предлагаемом блоке предусмотрена система защиты, блокирующая работу любого из плеч питающего устройства при замыкании в другом плече. После устранения причины замыкания источник питания автоматически переходит в нормальный режим работы.

Технические характеристики устройства

Пределы регулирования выходного напряжения, В .. .+1,25...18

Интервал регулирования ограничения тока нагрузки.А .. .0,01 ...1,2

Уровень пульсаций в режиме источника тока при 1Н = = 0,1 А, мВ ....................10

Напряжение порога срабатывания устройства блокировки, В.......................1

Параметры устройства в режиме источника напряжения соответствуют справочным данным на используемые в нем микросхемные стабилизаторы напряжения [1, 2].

Конструктивно оно состоит из двух функционально законченных блоков: двуполярного источника питания нагрузок и узла защиты от замыкания, смонтированных на отдельных печатных платах.

Схема первого из этих блоков показана на рис. 1. Обмотки II и III сетевого трансформатора Т1, диодные мосты VD1 — VD4 и VD5 — VD8 образуют источник двуполярного нестабилизиро-ванного напряжения +23...24 В, питающего все узлы и блоки устройства. Источником питания микросхемы DA1 по ее минусовому выводу служит стабилизатор напряжения R11VD14, а микросхемы DA3 — стабилизатор R1VD9.

По функционированию и схемотехнике оба плеча источника питания симметричны, поэтому более подробно рассмотрим работу лишь одного из них — плюсового.

Нестабилизованное однополярное напряжение (не более +25 В), пульсации которого сглаживают конденсаторы С1 и С2, через измерительный резистор R5, входящий в измерительный мост, образованный резисторами R2.1 — R5 и стабилитронами VD10 и VD11, подается на вход (вывод 2) микросхемного стабилизатора DA2 с выходным напряжением, регулируемым переменным резистором R10. Питание измерительного моста обеспечивает источник тока, выполненный на полевом транзисторе VT1.

Пока выходной ток стабилизатора меньше установленного значения, падение напряжения на резисторе R5 мало, напряжение на прямом выходе DA1 больше, чем на инверсном, и на выходе 6 ОУ напряжение близко к +21 В. Диоды HL1 и VD13 закрыты и не оказывают влияния на работу стабилизатора DA2.

Если выходной ток становится равным пороговому значению, установленному резистором R2.1, в работу включается измерительный мост. ОУ DA1 переходит в линейный режим, при котором выполняется равенство

В таком случае выходное напряжение плеча будет зависеть от напряжения на выходе ОУ, который в свою очередь отслеживает падение напряжения на резисторе R5, т. е. ток нагрузки, при котором выполняется указанное выше равенство. Следовательно, при выполнении соотношений

R3/R4 = 1
и U_стVD10 = U_стVD11
I_н = R2.1/R4*U_стVD11/R5.

Этой упрощенной формулой можно воспользоваться, если возникнет необходимость пересчитать параметры измерительного моста с учетом имеющейся элементной базы или иных требований. Для более точного отслеживания меньших токов нагрузки сопротивление резистора R5 желательно увеличить. При этом соответственно снизится верхний предел ограничения тока нагрузки.

Принципиально так работает и минусовое плечо источника питания.

Схема блока защиты устройства от замыкания на его выходе или в нагрузке приведена на рис. 2. При подаче на его входы двуполярного выходного напряжения транзисторы VT4 и VT7 открываются и тем самым шунтируют: транзистор VT4 — цепь, образованную светодиодом HL3, резистором R25 и излучающим диодом оптрона U1, а транзистор VT7 — цепь HL4, R29 и светодиод оптрона U2. Транзисторы VT3 и VT6 в это время закрыты. Такое состояние элементов этих цепей системы защиты соответствует работе устройства без замыканий в его внешних цепях.

Предположим, что замыкание произошло в нагрузке, подключенной к выходу плюсового плеча источника питания. В таком случае транзистор VT4 закрывается. Это приводит к открыванию транзистора VT6 (через стабилитрон VD24 и резистор R30), что исключает взаимную блокировку системы защиты. Транзистор VT7 после блокировки минусового плеча остается открытым током, поступающим в его базу через резистор R27 и диод VD23. Одновременно открываются светодиод HL3, сигнализируя о возникновении замыкания в цепи +UBbK, и излучатель оптрона U1. В результате резко возрастает ток фотодиода этого оптрона, открывается транзистор VT8 и током коллектора блокирует работу стабилизатора DA4 минусового плеча устройства.

Так работает и аналогичная часть блока защиты при замыкании в нагрузке минусового плеча устройства. Порог же срабатывания блока защиты по напряжению определяется суммарным падением напряжения на диоде VD19 (VD22), эмиттерном переходе транзистора VT4 (VT7), резисторе R20 (R26) и в нашем случае составляет примерно 1 В. Повысить напряжение срабатывания можно заменой диодов соответствующими стабилитронами и подбором резисторов R20 и R26 по надежному открыванию транзисторов VT4, VT7.

Поскольку напряжение на выходе блокированных стабилизаторов DA2 и DA4 не превышает 1,3 В, резисторы R21, R23, R24, диод VD20, стабилитрон VD21 и транзистор VT3 плюсового плеча, а также аналогичные элементы минусового плеча можно исключить, так как взаимной блокировки плеч не произойдет. Предусмотрены же эти элементы для случая, когда необходимо повысить (для минусового плеча — уменьшить) напряжение порога срабатывания защиты. При этом желательно предусмотреть отключение от него и питающего напряжения +10 В. Иначе невозможно установить выходное напряжение меньшее, чем значение порога срабатывания, поскольку блок защиты будет фиксировать замыкание в нагрузке и блокировать противоположное плечо. Блок питания будет работать и без системы защиты.

Его печатная плата выполнена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Размещение деталей показано на рис. 3. Все постоянные резисторы — МЛТ, переменные R2.1 и R2.2 — сдвоенный резистор СПЗ-4аМ группы A, R10 и R17 — той же группы А, но одинарные. Оксидные конденсаторы С1, С2 и С5, С6 — К50-35, С4 и С8 — серии К53, СЗ и С7 — любые керамические, например КМ-6. Диоды КД208А (VD1—VD8) заменимы на аналогичные серии КД226, a Kfl105A(VD12, VD18) — на любые из серий КД208, КД209, КД226, диоды VD13 и VD17 — любые маломощные кремниевые. Номинальное напряжение стабилизации стабилитронов VD10, VD11 и VD15, VD16 (Д818Е или серии КС190) можно выбрать в пределах 9...11 В с минимальным тепловым дрейфом.

Рис. 3

Полевые транзисторы VT1 и VT2 (КПЗОЗ с буквенным индексом А, В, Ж или И) желательно отобрать по начальному току стока — в пределах 2...4 мА.

Сетевой трансформатор Т1, использованный в устройстве от разобранного блока питания зарубежного производства. Подойдет любой другой, в том числе самодельный, обеспечивающий на каждой из его вторичных обмоток переменное напряжение 17... 18 В при токе нагрузки не менее 1,4 А.

Стабилитроны VD11 и VD15 расположены со стороны печатных проводников платы. Стабилизаторы DA2 и DA4 установлены на ребристые теплоотво-ды, которые винтами укреплены на печатной плате со стороны других деталей. Для лучшего теплового контакта стабилизаторы предварительно покрыты слоем теплопроводной пасты.

Налаживание основного блока устройства производится при отключенном блоке защиты и состоит в тщательной проверке монтажа и всех соединений и, если надо, подгонке напряжений, обеспечивающих работу микросхем, и настройке измерительного моста.

Сразу после подключения устройства к сети следует прежде всего измерить напряжение на фильтрующих конденсаторах С1, С2 и С5, С6, сглаживающих пульсации двуполярного выпрямителя, и стабилитронах VD9, VD14, обеспечивающих питанием ОУ DA1 и DA3. Напряжение на конденсаторах не должно превышать ±25 В, а на стабилитронах — быть в пределах ±9,5...10,5 В. При вращении валов резисторов R10 и R17 напряжения на соответствующих выходах плеч блока питания должны плавно изменяться от 1,25 до 18 В, а светодиоды HL1 и HL2 при этом не гореть. Максимальные значения этих напряжений устанавливают подборкой резисторов R8 и R18.

Функционирование измерительных мостов плеч устройства контролируют высокоомным вольтметром постоянного тока, подключая его к входным выводам ОУ DA1 и DA3. Напряжение на инверсном входе каждого из ОУ (относительно общего провода) должно быть отрицательнее напряжения на неин-вертирующем входе. Разница в уровнях этих напряжений будет изменяться пропорционально сопротивлениям резисторов R2.1 и R2.2 "Ограничение Iвых".

При равенстве напряжений устройство должно переключаться из режима источника напряжения в режим источника тока (или наоборот).

Начального значения ограничения тока нагрузки (0,01 А) добиваются подбором соответствующих резисторов (R3 и R13) измерительных мостов при положении вала переменного резистора R2 в положении минимального сопротивления.

Печатная плата блока защиты, размещение деталей на ней и подключение к плате блока питания изображены на рис. 4. Все резисторы ~- МЛТ-0,25. Транзистор VT3 — любой из серии К361, a VT6 — любой из серии КТ315. Коэффициент передачи тока базы транзисторов КТ3102Е (VT4, VT5) и КТ3107К (VT7, VT8) должен быть не менее 400.

Рис. 4

Монтажные платы блока питания, скрепленные наподобие этажерки (рис. 5), и сетевой трансформатор размещены в корпусе с внутренними размерами 210x90x90 мм из пластин текстолита толщиной 5 мм. Все элементы и органы управления блоком, а также гнезда-зажимы для подключения нагрузок и заземления вынесены на лицевую панель корпуса (рис. 6).

Там же находится и вольтметр постоянного тока (PV1 на рис. 7), позволяющий контролировать напряжение на выходе любого из плеч блока питания.

Рис. 7

ЛИТЕРАТУРА

1.   Нефедов А., Головина В. Микросхемы КР142ЕН12. — Радио, 1993, № 8, с. 41,42; 1994, № 1,с. 45.

2.   Нефедов А., Головина В. Микросхемы КР142ЕН18А, КР142ЕН18Б. — Радио, 1994, № 3, с. 41,42.

3.  Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, том 1. — М.: Мир, 1986.

От редакции. Мощность, рассеиваемая микросхемами DA2 и DA4, не должна превышать 10 Вт. Это ограничивает максимальный выходной ток источника значением 1,2 А при выходном напряжении более ±15 В. При меньшем выходном напряжении падение напряжения на указанных микросхемах увеличивается, допустимый выходной ток уменьшается и при выходном напряжении 1,25 В составляет 10/(24-1,25) = = 0,44 А. Каждую пару стабилитронов VD10, VD11 и VD15, VD16 можно заменить на один стабилитрон на напряжение 10...15 В. Половину напряжения стабилитрона для подачи на неинвертирующие входы ОУ DA1 и DA3 при этом следует получить с помощью делителя из двух одинаковых резисторов сопротивлением 68 кОм, включенных так, как стабилитроны на схеме рис. 1. Применение термостабильных стабилитронов не оправдано, поскольку тековыми они являются лишь при рабочем токе 10 мА, а здесь ток через них значительно меньше.

При работе блока в режиме стабилизации напряжения при выходном напряжении 1,25 В закрывающее смещение на светодиодах HL1 и HL2 составляет около 20 В, что для них недопустимо. Поэтому последовательно с каждым из них следует включить любой маломощный кремниевый диод или просто не устанавливать резисторы R9 и R19. Стабилитроны VD21 и VD24 для надежного закрывания транзисторов VT3 и VT6 должны иметь гарантированно большее напряжение стабилизации, чем VD9 и VD14, поэтому лучше использовать их с индексами Г или Д. Для того чтобы транзисторы VT5 и VT8 не открыввлись обратными токами неосвещенных фотодиодов U1.2 и U2.2, их переходы база—эмиттер следует зашунтировать резисторами 510...680 кОм.

РАДИО №6, 1999 г., с. 43.