Блоки питания для домашней лаборатории
Первую часть статьи смотрите здесь: Блоки питания электронных устройств
В плане всего, что было сказано выше, наиболее разумным и наименее затратным представляется изготовление трансформаторного блока питания. Подходящий готовый трансформатор для питания полупроводниковых конструкций можно подобрать от старых магнитофонов, ламповых телевизоров, трехпрограммных громкоговорителей и другой техники выходящей из употребления. Готовые сетевые трансформаторы продаются на радио рынках и в интернет магазинах. Всегда можно найти подходящий вариант.
Внешне трансформатор представляет собой Ш-образный сердечник из листов специальной трансформаторной стали. На сердечнике находится пластиковый или картонный каркас, на котором расположены обмотки. Пластины, как правило, покрыты лаком, чтобы между ними не было электрического контакта. Таким образом борются с вихревыми токами или токами Фуко. Эти токи просто греют сердечник, это просто потери.
Для этих же целей трансформаторное железо сделано из крупных кристаллов, которые также изолированы друг от друга окисными пленками. На трансформаторном железе очень больших размеров эти кристаллы видны невооруженным глазом. Если такое железо резать кровельными ножницами, то срез напоминает полотно ножовки по металлу, содержит мелкие зубчики.
Трансформатор в блоке питания выполняет сразу две функции. Во- первых, это понижение сетевого напряжения до нужного уровня. Во-вторых, это обеспечение гальванической развязки от питающей сети: первичная и вторичная обмотки между собой не соединены, электрическое сопротивление в идеале бесконечно. Связь первичной и вторичной обмотки осуществляется через переменное магнитное поле сердечника, создаваемое первичной обмоткой.
Упрощенный расчет трансформатора
При покупке или самостоятельной намотке трансформатора следует руководствоваться следующими параметрами, которые выражаются всего четырьмя формулами.
Первую из них можно назвать законом трансформации.
U1/U2 = n1/n2 (1),
Простой пример. Поскольку речь идет именно о сетевом трансформаторе, то напряжение на первичной обмотке будет всегда 220В. Предположим, что первичная обмотка содержит 220 витков, а вторичная 22 витка. Это достаточно большой трансформатор, поэтому витков в расчете на один вольт у него немного.
Если на первичную обмотку подать напряжение 220В, то на вторичной обмотке получится 22В, что полностью соответствует коэффициенту трансформации n1/n2, который в нашем примере равен 10. Предположим, что во вторичную обмотку включена нагрузка, потребляющая ток ровно 1А. Тогда ток первичной обмотки составит 0,1А, поскольку токи находятся в обратном соотношении.
Мощность потребляемая обмотками: для вторичной 22В*1А = 22Вт, а для первичной 220В * 0,1А = 22Вт. Такой расчет показывает, что мощности первичной и вторичной обмоток равны. Если вторичных обмоток несколько, то при расчете их мощности следует сложить, это и будет мощность первичной обмотки.
Из этой же формулы следует, что определить количество витков на один вольт очень просто: достаточно намотать пробную обмотку, например, 10 витков, померить на ней напряжение, полученный результат разделить на 10. Число витков на вольт очень поможет, когда потребуется намотать обмотку на нужное напряжение. Следует заметить, что обмотки надо мотать с некоторым запасом, с учетом «просаживания» напряжения на самих обмотках и на регулирующих элементах стабилизаторов. Если минимальное напряжение требуется 12В, то обмотка может быть рассчитана на 17…18В. Это же правило следует соблюдать и при покупке готового трансформатора.
Общая мощность трансформатора подсчитывается как сумма мощностей всех вторичных обмоток, о чем было написано чуть выше. Исходя из этого подсчета, можно выбрать подходящий сердечник, точнее сказать его площадь. Формула для выбора площади сердечника:.
Здесь S площадь сердечника в квадратных сантиметрах, а P общая мощность нагрузки в ваттах. Для Ш-образного сердечника площадью является сечение центрального стержня, на котором расположены обмотки, а для тороидального поперечное сечение тора. Исходя из рассчитанной площади сердечника, можно выбрать подходящее трансформаторное железо.
Расчетное значение следует округлять до ближайшего большего стандартного значения. Все остальные расчетные величины в процессе расчета также округляются в сторону увеличения. Если, предположим, мощность получилась 37,5 Вт, то округляется до 40Вт.
После того, как стала известна площадь сердечника, можно рассчитать число витков в первичной обмотке. Это третья расчетная формула.
Здесь n1 – число витков первичной обмотки, U1 – 220В – напряжение первичной обмотки, S площадь сердечника в квадратных сантиметрах. Особого внимания заслуживает эмпирический коэффициент 50, который может изменяться в некоторых пределах.
Если требуется, чтобы трансформатор не входил в насыщение, не создавал лишних электромагнитных помех (особенно актуально для звуковоспроизводящей аппаратуры), этот коэффициент можно увеличить до 60. В этом случае количество витков в обмотках увеличится, режим работы трансформатора будет облегчен, сердечник уже не сможет войти в насыщение. Главное, чтобы уместились все обмотки.
После того, как определена мощность трансформатора, подсчитаны витки и токи в обмотках, самое время определить сечение провода обмоток. Предполагается, что обмотки намотаны медным проводом. Этот расчет поможет выполнить формула:
Здесь di мм, Ii А соответственно диаметр провода и ток i-ой обмотки. Полученный по расчету диаметр провода также следует округлить до ближайшего большего стандартного значения.
Вот собственно и весь упрощенный расчет сетевого трансформатора, для практических целей даже очень достаточный. Следует, однако, заметить, что этот расчет справедлив только для сетевых трансформаторов, работающих на частоте 50Гц. Для трансформаторов, выполненных на ферритовых сердечниках и работающих на высокой частоте, расчет производится совсем по другим формулам, кроме разве что коэффициента трансформации по формуле 1.
После того, как трансформатор рассчитан, намотан или просто куплен нужного типоразмера, можно приступить к изготовлению блока питания, без которого не обходится ни одна схема.
Нестабилизированные блоки питания
Самые простые по схемотехнике это нестабилизированные блоки питания. Применяются они достаточно часто в различных конструкциях, что упрощает схему, не оказывая влияния на ее функциональность. Например, мощные усилители звуковой частоты чаще всего питаются от нестабилизированного источника, поскольку заметить на слух что напряжение питания изменилось на 2…3 вольта практически невозможно. Также нет никакой разницы, при каком напряжении сработает реле: лишь бы сработало, и в дальнейшем не сгорело.
Нестабилизированные блоки питания устроены просто, схема показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема нестабилизированного источника питания
К вторичной обмотке трансформатора подключен выпрямительный мост на диодах. Хотя схем выпрямителей существует достаточно много, мостовая схема является самой распространенной. На выходе моста получается пульсирующее напряжение с удвоенной частотой сети, что характерно для всех схем двухполупериодных выпрямителей (рисунок 2, кривая 1).
Естественно, что такое пульсирующее напряжение для питания транзисторных схем непригодно: представьте себе, как будет реветь усилитель при таком питании! Чтобы сгладить пульсации до приемлемого значения, на выходе выпрямителя устанавливаются фильтры (рисунок 2, кривая 2). В простейшем случае это может быть просто электролитический конденсатор большой емкости. Сказанное иллюстрируется на рисунке 2.
Рис. 2.
Расчет емкости этого конденсатора достаточно сложен, поэтому можно рекомендовать проверенные на практике величины: на каждый ампер тока в нагрузке требуется емкость конденсатора 1000…2000 мкФ. Меньшее значение емкости справедливо для случая, когда после выпрямительного моста предполагается использовать стабилизатор напряжения.
По мере увеличения емкости конденсатора пульсации (рисунок 2, кривая 2) будут уменьшаться, но совсем не пропадут. Если пульсации недопустимы, приходится вводить в схему блока питания стабилизаторы напряжения.
Двухполярный источник питания
В случае, когда от источника требуется получить двухполярное напряжение, схему придется несколько изменить. Мост останется все тот же, но вторичная обмотка трансформатора должна иметь среднюю точку. Сглаживающих конденсаторов станет уже два, каждый для своей полярности. Такая схема показана на рисунке 3.
Рис. 3.
Соединение вторичных обмоток должно быть последовательно – согласным , – начало обмотки III соединено с концом обмотки II. Точками отмечаются, как правило, начала обмоток. Если трансформатор промышленного изготовления и все выводы пронумерованы, то можно придерживаться такого правила: все нечетные номера выводов это начала обмоток, соответственно четные – концы. То есть при последовательном соединении надо соединять четный вывод одной обмотки с нечетным выводом другой. Естественно, что ни в коем случае нельзя соединять накоротко выводы одной обмотки, например, 1 и 2.
Стабилизированные блоки питания
Но достаточно часто без стабилизаторов напряжения просто не обойтись. Самым простейшим является параметрический стабилизатор, который содержит всего три детали. После стабилитрона устанавливается электролитический конденсатор, назначение которого сглаживание остаточных пульсаций. Его схема показана на рисунке 4.
Рис. 4. Схема параметрического стабилизатора
Вообще, этот конденсатор устанавливается даже на выходе интегральных стабилизаторов напряжения типа LM78XX. Это требуется даже техническими условиями (Data Sheet) на микросхемные стабилизаторы.
Параметрический стабилизатор может обеспечить в нагрузке ток до нескольких миллиампер, в данном случае около двадцати. В схемах электронных устройств такой стабилизатор применяется достаточно часто. Коэффициент стабилизации (соотношение изменения входного напряжения в %% к изменению выходного, также в %%) таких стабилизаторов, как правило, не более 2.
Если параметрический стабилизатор дополнить эмиттерным повторителем, всего на одном транзисторе, как показано на рисунке 5, то возможности параметрического стабилизатора станут намного выше. Коэффициент стабилизации подобных схем достигает значения 70.
Рис. 5.
При указанных на схеме параметрах и токе нагрузки 1А на транзисторе будет рассеиваться достаточная мощность. Такая мощность рассчитывается следующим образом: разность напряжений коллектор – эмиттер умножается на ток нагрузки. В данном случае это и есть ток коллектора. (12В – 5в)*1А = 7Вт. При такой мощности транзистор придется ставить на радиатор.
Мощность, отдаваемая в нагрузку, будет всего 5в*1А = 5Вт. Цифры, показанные на рисунке 5, вполне достаточны, чтобы произвести подобный расчет. Таким образом, КПД источника питания с таким стабилизатором при входном напряжении 12В всего около 40%. Чтобы его несколько повысить можно уменьшить входное напряжение, но не менее, чем до 8 вольт, иначе стабилизатор перестанет работать.
Для того, чтобы собрать стабилизатор напряжения отрицательной полярности достаточно в рассмотренной схеме заменить транзистор проводимости n-p-n на проводимость p-n-p, поменять полярность включения стабилитрона и входного напряжения. Но такие схемы стали уже анахронизмом, в настоящее время не применяются, им на смену пришли интегральные стабилизаторы напряжения.
Казалось, что вполне достаточно рассмотренную схему выполнить в интегральном варианте и все было бы в порядке. Но разработчики не стали повторять малоэффективную схему, уж слишком маленький у нее КПД, да и стабилизация невелика. Для повышения коэффициента стабилизации в современные интегральные стабилизаторы введена отрицательная обратная связь.
Такие стабилизаторы разрабатывались на ОУ общего применения, пока схемотехник и разработчик Р.Видлар не предложил этот ОУ интегрировать внутрь стабилизатора. Первым стабилизатором подобного рода был легендарный UA723, требовавший при установке некоторого числа дополнительных деталей.
Более современным вариантом интегральных стабилизаторов являются стабилизаторы серий LM78XX для напряжения положительной полярности и LM79XX для отрицательной. В этой маркировке 78 это собственно название микросхемы – стабилизатора, буквы LM перед цифрами могут быть и другими, – зависит от конкретного производителя. Вместо букв XX вставляются цифры, указывающие напряжение стабилизации в вольтах: 05, 08, 12, 15 и т.д. Кроме стабилизации напряжения, микросхемы имеют защиту от короткого замыкания в нагрузке и тепловую защиту. Как раз то, что требуется для создания простого и надежного лабораторного блока питания.
Отечественная электронная промышленность выпускает такие стабилизаторы под маркой КР142ЕНXX. Но маркировка у нас как всегда зашифрованная, поэтому определить напряжение стабилизации можно только по справочнику или заучивать как стихи в школе. Все упомянутые стабилизаторы имеют фиксированное значение выходного напряжения. Типовая схема включения стабилизаторов серии 78XX показана на рисунке 6.
Рис. 6. Типовая схема включения стабилизаторов серии 78XX
Однако, на их основе можно создать и регулируемые источники. В качестве примера можно привести схему, показанную на рисунке 7.
Рис. 7. Схема регулируемого блока питания для домашней лаборатории
Недостатком схемы можно считать, что регулирование производится не от нуля, а от 5 вольт, т.е. от напряжения стабилизации микросхемы. Непонятно почему выводы стабилизатора пронумерованы как 17, 8, 2, когда на самом деле их всего лишь три!
Рис. 8.
А на рисунке 9 показано, как на базе оригинальной буржуйской LM317 собрать регулируемый блок питания, которым можно пользоваться в качестве лабораторного.
Рис. 9. Схема блока питания на микросхеме LM317
Если потребуется двухполярный регулируемый источник, то проще всего в одном корпусе собрать два одинаковых стабилизатора, запитав их от разных обмоток трансформатора. При этом вывести на переднюю панель блока отдельными клеммами выход каждого стабилизатора. Коммутировать напряжения можно будет просто проволочными перемычками.
Борис Аладышкин
