Привет, Хабр! Сегодня мы соберём по-настоящему секретную китайскую плату, содержащую серьёзную ошибку и пробелы в документации. Но если собирать радиоконструктор вдумчиво и поискать дополнительную информацию в Интернете, то всё получится, и даже ничего не взорвётся.
В отличие от популярных в настоящее время импульсных преобразователей напряжения, этот стабилизатор линейный. То есть, он не привносит в питающуюся от него цепь переключательных помех. Если добавить регулировку тока, то получится вполне годный блок питания для любительской лаборатории.
В отличие от других радиоконструкторов блоков питания, комплектуемых готовыми измерительными головками, здесь цифровой вольтметр нужно собирать самим, и с ним есть нюансы.
▍ Как всё устроено
Конструкция стабилизатора напряжения состоит из двух печатных плат. Плата цифрового вольтметра, речь о которой пойдёт далее, устанавливается параллельно основной плате на двух шестиконтактных разъёмах PLS-6. Так делают, когда устройству требуется компактность.
Подобную конструкцию нам уже доводилось наблюдать при сборке миниатюрной гитарной педали «EP Booster», цифрового запоминающего осциллографа DSO138 и Ардуино-совместимого контроллера OPEN-SMART UNO R3.
▍ Мостовой выпрямитель со средней точкой
Подобно многим компьютерным колонкам из ценовых сегментов от среднего и выше, активным акустическим системам с темброблоками-кроссоверами, предполагающими двуполярное питание, а также винтажным музыкальным центрам, плата данного стабилизатора напряжения с цифровым управлением рассчитана на работу от сетевого трансформатора, имеющего вторичную обмотку с отводом от средней точки.
Действующее значение напряжения на каждой из полуобмоток должно составлять 18 вольт.
Действующее (эффективное) значение переменного тока равняется величине такого постоянного тока, который за равное одному периоду переменного тока время совершит такую же работу, что и измеряемый переменный ток.
Для синусоидального переменного тока действующее значение равно амплитуде, делённой на квадратный корень из двух. Получается, что амплитуда напряжения на каждой из полуобмоток будет равняться 25.5 вольтам.
В случае однофазного выпрямительного моста Гретца на четырёх полупроводниковых диодах, изображённого на рисунке ниже, величина выпрямленного напряжения на накопительном («сглаживающем») электролитическом конденсаторе фильтра питания С1 будет несколько ниже вследствие падения на двух прямосмещённых диодах моста и просадке напряжения под нагрузкой, изображённой в виде резистора холостого хода R1.
В число причин просадки напряжения входит как омическое сопротивление обмоток трансформатора, так и сама природа сглаживания пульсаций конденсатором.
На графике зависимости напряжения от времени мы видим, что в моменты, когда электродвижущая сила выпрямителя выше напряжения на конденсаторе С1, последний заряжается. А когда наоборот, он разряжается через нагрузку R1, что приводит к пульсациям напряжения.
Напишите в комментариях, какую ошибку допустил иллюстратор, нарисовавший этот график.
Чем выше ёмкость конденсатора и чем ниже его внутреннее сопротивление, тем ниже будет амплитуда пульсаций. И то же самое произойдёт при повышении частоты переменного тока. Это одна из причин того, что импульсные преобразователи напряжения гораздо дешевле, легче и компактнее, чем трансформаторные блоки питания, работающие на частоте электросети 50 герц.
Вторая причина повсеместного перехода на импульсные преобразователи состоит в том, что при более высокой частоте индуктивность каждой из обмоток можно делать ниже. Импульсные трансформаторы и дроссели с сердечниками из ферритовой керамики и распылённого железа дают огромную экономию по сравнению с сетевыми трансформаторами и их магнитопроводами из магнитомягкой трансформаторной стали.
На схеме нашего стабилизатора напряжения с цифровым управлением мы видим самый обычный выпрямительный мост SD1. Сглаживающие конденсаторы линий +20В и -20В обозначены, соответственно, как С6 и С2.
В помощь электролитическим конденсаторам установлены керамические конденсаторы С3 и С7. В отличие от первых, вторые хорошо пропускают токи высокой частоты.
Получается, что мы имеем обычный мостовой выпрямитель с 36 вольтами переменного тока на входе. Отвод от средней точки вторичной обмотки трансформатора позволяет выравнивать напряжения на сглаживающих конденсаторах независимо от соотношения токов, потребляемых по линиям +20В и -20В.
В аудиотехнике двуполярное питание обычно требуется для операционных усилителей и двухтактных выходных каскадов. В случае последних, это позволяет обойтись без крупногабаритных электролитических конденсаторов на выходе.
▍ Линейные стабилизаторы
Далее мы видим целых пять интегральных последовательных стабилизаторов. IC1 и IC2, соответственно, формируют стабилизированный напряжения +15 и -15 вольт.
Благодаря стабилизатору IC10, получается напряжение -5В для питания платы цифрового вольтметра. А линия +5В, формируемая стабилизатором IC3, используется не только для вольтметра, но и для логических микросхем IC6, IC8 и IC9.
Пятый линейный стабилизатор — IC8 — представляет собой микросхему LM317T, снабжённую ребристым алюминиевым радиатором. Именно IC8 формирует выходное напряжение нашего цифрового блока питания.
▍ Микросхема регулируемого стабилизатора
LM317T (КР142ЕН12А) — это очень распространённая микросхема, полюбившаяся многим любителям и профессионалам по причине лёгкости регулирования выходного напряжения в широких пределах — от 1.2 до 37 вольт при токе до полутора ампера.
При конструировании регулируемого последовательного стабилизатора напряжения или тока необходимо помнить, что на его силовой микросхеме или выходном транзисторе может рассеиваться весьма значительная тепловая мощность, особенно при высоком напряжении на входе и низком на выходе.
Кстати, это и есть третья причина повсеместной популярности импульсных преобразователей.
Если последовательный стабилизатор просто просаживает лишнее напряжение на омическом сопротивлении транзистора или электронной лампы, а параллельный параметрический стабилизатор потребляет лишний ток, необходимый для просадки напряжения на последовательном резисторе, то импульсный стабилизатор преобразует мощность с помощью реактивных компонентов — катушек индуктивности.
Принцип использования микросхемы LM317T очень прост. Она будет поддерживать на своём выходе такое напряжение, чтобы разность потенциалов между выходом и управляющим входом составляла 1.25 вольта.
1.25 вольта — это относительно немного, поэтому LM317T часто используют для создания стабилизаторов или ограничителей тока. Например, для питания мощных осветительных светодиодов.
Типовое включение LM317T для стабилизации напряжения предполагает отрицательную обратную связь (ООС) через резистивный делитель.
В случае схемы, представленной на рисунке выше, если пренебречь потребляемым током самой микросхемы (который находится в пределах сотни микроампер), выходное напряжение будет равняться:
Uвых = 1.25(1 + Rl/Rh) В.При десяти вольтах на входе, двух на выходе и потребляемом токе 1 ампер выходная мощность составит всего 2 ватта, а тепловыделение на микросхеме — целых 8 ватт, требующих соответствующего теплоотвода. КПД такой схемы будет равняться 20 процентам.
Зато при восьми вольтах на выходе получается КПД 80% и ощутимые, но не катастрофические два ватта тепловыделения на LM317T.
▍ Продвинутая регулировка выходного напряжения
Регулировать выходное напряжение LM317T можно двумя способами. Первый из них — изменение соотношения между сопротивлениями верхнего и нижнего плеча делителя отрицательной обратной связи — мы рассмотрели выше. Его можно осуществить в виде потенциометра или набора переключаемых резисторов.
Но существует и второй способ, реализованный в сегодняшней экспериментальной плате. На управляющий вход LM317T просто подаётся постоянное стабилизированное напряжение. Выходное напряжение микросхемы будет выше управляющего ровно на 1.25 вольта.
В нашей схеме это управляющее напряжение выводится на контрольную точку TP5 и формируется инвертирующим усилителем постоянного тока (УПТ) на операционном усилителе (ОУ) IC4B.
▍ Инвертирующий УПТ на ОУ
При анализе и проектировании схем на ОУ всё начинается с двух аксиом, описывающих идеализированный операционный усилитель.
- Входные токи ОУ близки к нулю, и во многих случаях ими можно пренебречь при расчётах.
- В схеме с замкнутой петлёй ООС операционный усилитель будет поддерживать напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равными.
Неинвертирующий вход IC4B в нашей схеме соединён с землёй, поэтому потенциал инвертирующего входа также будет равен нулю.
Так как входной ток инвертирующего входа IC4B пренебрежимо мал, получается, что через резисторы R18 и R13 течёт один и тот же ток, который описывается следующими уравнениями закона Ома для участка цепи:
I = (0-Uвх)/R13 = -Uвх/3 кОм;I = (Uвых-0)/R18 = Uвых/18 кОм;Uвых/18 кОм = -Uвх/3 кОм;Uвых = -6Uвх.Получается, что коэффициент передачи нашего усилителя постоянного тока равняется минус шести.
▍ Цифро-аналоговый преобразователь
Сигнал на вход УПТ на IC4B приходит с выхода операционного усилителя IC4A, неинвертирующий вход которого соединён с общим проводом через резистор R14, а инвертирущий — с выходом Iout1 микросхемы IC9. Это не что иное, как типовое включение интегрального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) DAC0832.
Как и в случае с экспериментальной платой из мартовской статьи, данный ЦАП является резистивным.
Однако там мы имели четырёхразрядный ЦАП на дискретных резисторах, а здесь он интегральный и восьмиразрядный.
▍ Реверсивные счётчики
Цифровые данные на ЦАП поступают с пары четырёхразрядных реверсивных счётчиков 74HC193 (К1564ИЕ7). Это функциональные аналоги микросхемы CD40193, действующей по тому же принципу, что и CD40192, на которой мы собирали программируемый новогодний таймер.
Различие между микросхемами CD40193 и CD40192 состоит в том, что первая является двоичным счётчиком и считает от 0 = 0000b до 15 = 1111b (от 0 до F в шестнадцатеричной системе счисления), тогда как вторая представляет собой двоично-десятичный счётчик с диапазоном значений от 0 до 9 = 1001b.
▍ Источник опорного напряжения
Опорное напряжение для ЦАП формируется прецизионным интегральным стабилизатором («управляемым стабилитроном») IC5.
Это очень популярная микросхема TL431 (КР142ЕН19А), которую мы чаще всего встречаем в цепях отрицательной обратной связи импульсных блоков питания. Там катод TL431 соединяется с катодом светодиода оптопары, а напряжение стабилизации задаётся резистивным делителем.
Выходной транзистор микросхемы открывается, когда напряжение на управляющем входе составляет два с половиной вольта. Напряжение на катоде не должно превышать 37 вольт.
Не замечаете ничего странного в источнике опорного напряжения нашего цифрового блока питания? Напишите в комментариях.
Потенциометром RP1 можно задать опорное напряжение ЦАП IC9 и, соответственно, приращение выходного напряжения IC8 при инкременте счётчиков IC6-IC7.
Инкремент происходит при нажатии кнопки S1, декремент — при нажатии S2, а сброс — по нажатию S3.
▍ Цифровой вольтметр
В комплекте радиоконструктора отсутствовала какая-либо документация по плате цифрового вольтметра. К счастью, схема платы полностью повторяет пример из даташита на микросхему аналого-цифрового преобразователя (АЦП) GC7137A, с единственным исключением: семисегментный светодиодный индикатор в наборе не четырёхразрядный, а трёхразрядный.
Здесь применяется динамическая индикация, и поэтому для того, чтобы зажечь десятичную точку в правильном месте, вывод её катода нужно подключить к коллектору транзистора, а его базу — через резистор к аноду нужного разряда.
▍ Взрывоопасная ошибка
У посадочного места электролитического конденсатора С5 на прилагаемой печатной плате перепутана полярность. Если этого не заметить и механически установить все компоненты согласно шелкографии, то конденсатор взорвётся спустя несколько минут работы.
▍ Заработает или нет?
После замены вышедшего из строя конденсатора наш цифровой стабилизатор напряжения прекрасно работает, что можно наблюдать на видео.
Если добавить регулируемый ограничитель-стабилизатор тока, то получится вполне адекватный блок питания для любительской лаборатории. Напишите в комментариях, какими способами это можно реализовать.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
