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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Generatore di tensione e corrente continua da laboratorio
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Alimentatori L'alimentatore da laboratorio per apparecchiature radio è il risultato delle attività pratiche di un piccolo gruppo di ragazzi del club di ingegneria radiofonica per adolescenti "Radar" (Penza). Interessa coloro che sviluppano apparecchiature utilizzando amplificatori operazionali e moderni microcircuiti che richiedono tensioni di alimentazione singole e bipolari, regolabili su un intervallo abbastanza ampio. Una particolarità di questo alimentatore da laboratorio è l'unità di protezione. È noto che per alcuni microcircuiti progettati per essere alimentati da una sorgente di tensione bipolare, una situazione in cui manca uno di essi è inaccettabile. Per eliminare tali situazioni, l'unità proposta prevede un sistema di protezione che blocca il funzionamento di uno qualsiasi dei rami del dispositivo di alimentazione quando si verifica un cortocircuito nell'altro braccio. Una volta eliminata la causa del cortocircuito, l'alimentatore ritorna automaticamente al funzionamento normale. Specifiche del dispositivo
I parametri del dispositivo in modalità sorgente di tensione corrispondono ai dati di riferimento per gli stabilizzatori di tensione del microcircuito utilizzati in esso [1, 2]. Strutturalmente è costituito da due blocchi funzionalmente completi: un alimentatore di carico bipolare e un'unità di protezione del circuito, montati su circuiti stampati separati. Lo schema del primo di questi blocchi è mostrato in Fig. 1. Gli avvolgimenti II e III del trasformatore di rete T1, i ponti di diodi VD1 - VD4 e VD5 - VD8 formano una sorgente di tensione bipolare non stabilizzata +23...24 V, che alimenta tutti i componenti e i blocchi del dispositivo. La fonte di alimentazione per il microcircuito DA1 sul suo terminale negativo è lo stabilizzatore di tensione R11VD14 e il microcircuito DA3 è lo stabilizzatore R1VD9.
In termini di funzionamento e progettazione del circuito, entrambi i rami dell'alimentatore sono simmetrici, quindi considereremo più in dettaglio il funzionamento di uno solo di essi: quello positivo. Una tensione unipolare non stabilizzata (non più di +25 V), le cui ondulazioni sono attenuate dai condensatori C1 e C2, viene fornita all'ingresso (pin 5) del microcircuito attraverso il resistore di misurazione R2.1, che è incluso nella misurazione ponte formato dai resistori R5 - R10 e diodi zener VD11 e VD2 stabilizzatore DA2 con tensione di uscita controllata dal resistore variabile R10. L'alimentazione del ponte di misura è fornita da una sorgente di corrente basata sul transistor ad effetto di campo VT1. Mentre la corrente di uscita dello stabilizzatore è inferiore al valore impostato, la caduta di tensione sul resistore R5 è piccola, la tensione sull'uscita diretta DA1 è maggiore che sull'uscita inversa e sull'uscita 6 dell'amplificatore operazionale la tensione è vicino a +21 V. I diodi HL1 e VD13 sono chiusi e non influenzano il funzionamento dello stabilizzatore DA2. Se la corrente di uscita diventa uguale al valore di soglia impostato dalla resistenza R2.1, il ponte di misura viene acceso. L'amplificatore operazionale DA1 passa alla modalità lineare, in cui l'uguaglianza UR2.1 + UR3 = UR5 + Imposta VD10. In questo caso, la tensione di uscita del braccio dipenderà dalla tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale, che a sua volta monitora la caduta di tensione sul resistore R5, ovvero la corrente di carico alla quale è soddisfatta l'uguaglianza di cui sopra. Pertanto, quando le relazioni R3/R4 = 1 e Ust VD10 = Ust VD11 In = R2.1/R4.Ust VD11/R5. Questa formula semplificata può essere utilizzata se è necessario ricalcolare i parametri del ponte di misura tenendo conto della base dell'elemento esistente o di altri requisiti. Per un tracciamento più accurato delle correnti di carico inferiori, è consigliabile aumentare la resistenza del resistore R5. In questo caso il limite superiore della limitazione della corrente di carico diminuirà di conseguenza. In linea di principio, anche il braccio negativo della fonte di alimentazione funziona in questo modo. Lo schema del blocco di protezione del dispositivo contro il cortocircuito in uscita o nel carico è mostrato in Fig. 2. Quando una tensione di uscita bipolare viene applicata ai suoi ingressi, i transistor VT4 e VT7 si aprono e quindi shunt: il transistor VT4 è un circuito formato dal LED HL3, il resistore R25 e il diodo emettitore del fotoaccoppiatore U1, e il transistor VT7 è il circuito HL4, R29 e il LED del fotoaccoppiatore U2. I transistor VT3 e VT6 in questo momento sono chiusi. Questo stato degli elementi di questi circuiti del sistema di protezione corrisponde al funzionamento del dispositivo senza cortocircuiti nei suoi circuiti esterni.
Supponiamo che si verifichi un cortocircuito nel carico collegato all'uscita del braccio positivo del generatore. In questo caso, il transistor VT4 si chiude. Ciò porta all'apertura del transistor VT6 (attraverso il diodo zener VD24 e il resistore R30), che elimina il blocco reciproco del sistema di protezione. Il transistor VT7, dopo aver bloccato il braccio negativo, rimane aperto con la corrente che scorre nella sua base attraverso il resistore R27 e il diodo VD23. Allo stesso tempo, il LED HL3 si apre, segnalando il verificarsi di un cortocircuito nel circuito +Uout e nell'emettitore del fotoaccoppiatore U1. Di conseguenza, la corrente del fotodiodo di questo fotoaccoppiatore aumenta bruscamente, il transistor VT8 si apre e la corrente del collettore blocca il funzionamento dello stabilizzatore DA4 del braccio negativo del dispositivo. Ecco come funziona una parte simile dell'unità di protezione quando il braccio negativo del dispositivo è in cortocircuito nel carico. La soglia di risposta dell'unità di protezione della tensione è determinata dalla caduta di tensione totale attraverso il diodo VD19 (VD22), la giunzione dell'emettitore del transistor VT4 (VT7), il resistore R20 (R26) e nel nostro caso è di circa 1 V. La la tensione di risposta può essere aumentata sostituendo i diodi con diodi zener appropriati e selezionando i resistori R20 e R26 per l'apertura affidabile dei transistor VT4, VT7. Poiché la tensione all'uscita degli stabilizzatori bloccati DA2 e DA4 non supera 1,3 V, i resistori R21, R23, R24, il diodo VD20, il diodo zener VD21 e il transistor VT3 del braccio positivo, nonché elementi simili del braccio negativo, possono essere eliminati, poiché non si verificherà il blocco reciproco dei bracci. Questi elementi sono previsti nel caso in cui sia necessario aumentare (per il braccio negativo - diminuire) la tensione della soglia di protezione. In questo caso è consigliabile provvedere a scollegare dallo stesso la tensione di alimentazione pari a %10 V. In caso contrario non è possibile impostare la tensione di uscita inferiore al valore di soglia di funzionamento in quanto l'unità di protezione rileverà un corto circuito nel carico e bloccare il braccio opposto. L'alimentatore funzionerà senza sistema di protezione. Il suo circuito stampato è realizzato in fibra di vetro su un solo lato. Il posizionamento delle parti è mostrato in Fig. 3. Tutti i resistori costanti sono MLT, le variabili R2.1 e R2.2 sono resistori doppi SP3-4aM del gruppo A, R10 e R17 sono dello stesso gruppo A, ma singoli. Condensatori all'ossido C1, C2 e C5, C6 - K50-35, C4 e C8 - serie K53, C3 e C7 - qualsiasi ceramica, ad esempio KM-6. I diodi KD208A (VD1-VD8) sono sostituibili con le serie simili KD226 e KD105A (VD12, VD18) - con qualsiasi serie KD208, KD209, KD226, diodi VD13 e VD17 - con qualsiasi diodi al silicio a bassa potenza. La tensione di stabilizzazione nominale dei diodi zener VD10, VD11 e VD15, VD16 (serie D818E o KC190) può essere selezionata entro 9...11 V con deriva termica minima.
Si consiglia di selezionare i transistor ad effetto di campo VT1 e VT2 (KP303 con l'indice delle lettere A, B, F o I) in base alla corrente di drenaggio iniziale - entro 2...4 mA. Trasformatore di rete T1, utilizzato nel dispositivo da un alimentatore smontato di fabbricazione estera. Andrà bene qualsiasi altro, anche fatto in casa, fornendo su ciascuno dei suoi avvolgimenti secondari una tensione alternata di 17...18 V con una corrente di carico di almeno 1,4 A. I diodi Zener VD11 e VD15 si trovano sul lato dei conduttori del circuito stampato della scheda. Gli stabilizzatori DA2 e DA4 sono installati su dissipatori di calore alettati, che vengono avvitati sul circuito stampato dal lato delle altre parti. Per un migliore contatto termico, gli stabilizzatori sono prerivestiti con uno strato di pasta termicamente conduttiva. La regolazione dell'unità principale del dispositivo viene effettuata con l'unità di protezione spenta e consiste nel controllare attentamente l'installazione e tutti i collegamenti e, se necessario, regolare le tensioni che garantiscono il funzionamento dei microcircuiti e predisporre il ponte di misura. Immediatamente dopo aver collegato il dispositivo alla rete, è necessario prima di tutto misurare la tensione sui condensatori di filtro C1, C2 e C5, C6, che attenuano le increspature del raddrizzatore bipolare, e sui diodi zener VD9, VD14, che forniscono energia agli amplificatori operazionali DA1 e DA3. La tensione sui condensatori non deve superare +25 V e sui diodi Zener deve essere compresa tra +9,5...10,5 V. Quando si ruotano gli alberi dei resistori R10 e R17, le tensioni alle uscite corrispondenti dei bracci di alimentazione dovrebbero cambiano dolcemente da 1,25 a 18 V e i LED HL1 e HL2 non si accendono. I valori massimi di queste tensioni vengono impostati selezionando i resistori R8 e R18. Il funzionamento dei ponti di misurazione dei bracci del dispositivo è controllato da un voltmetro CC ad alta resistenza, collegandolo ai terminali di ingresso dell'amplificatore operazionale DA1 e DA3. La tensione all'ingresso invertente di ciascun amplificatore operazionale (rispetto al filo comune) deve essere più negativa della tensione all'ingresso non invertente. La differenza nei livelli di queste tensioni cambierà in proporzione alle resistenze dei resistori R2.1 e R2.2 “Limite Iout”. Quando le tensioni sono uguali, il dispositivo deve passare dalla modalità sorgente di tensione alla modalità sorgente di corrente (o viceversa). Il valore iniziale della limitazione della corrente di carico (0,01 A) si ottiene selezionando i resistori appropriati (R3 e R13) dei ponti di misura con la posizione dell'albero del resistore variabile R2 nella posizione di resistenza minima. Il circuito stampato dell'unità di protezione, la disposizione dei componenti su di esso e il collegamento alla scheda di alimentazione sono mostrati in Fig. 4. Tutti i resistori sono MLT-0,25. Il transistor VT3 è una qualsiasi delle serie K361 e VT6 è una qualsiasi delle serie KT315. Il coefficiente di trasferimento della corrente di base dei transistor KT3102E (VT4, VT5) e KT3107K (VT7, VT8) deve essere almeno 400.
Le schede elettroniche dell'alimentatore, fissate come una libreria (Fig. 5), e il trasformatore di rete sono collocate in un alloggiamento di dimensioni interne di 210x90x90 mm realizzato con piastre PCB di spessore 5 mm.
Tutti gli elementi e i controlli dell'unità, nonché le prese per il collegamento dei carichi e la messa a terra, si trovano sul pannello frontale della custodia (Fig. 6).
È presente anche un voltmetro CC (PV1 in Fig. 7), che consente di controllare la tensione all'uscita di uno qualsiasi dei bracci dell'alimentatore.
La potenza dissipata dai chip DA2 e DA4 non deve superare i 10 W. Ciò limita la corrente di uscita massima della sorgente a 1,2 A con una tensione di uscita superiore a +15 V. Con una tensione di uscita inferiore, la caduta di tensione su questi microcircuiti aumenta, la corrente di uscita consentita diminuisce e con una tensione di uscita di 1,25 V è 10/(24-1,25) = 0,44 A. Ogni coppia di diodi zener VD10, VD11 e VD15, VD16 può essere sostituita con un diodo zener per una tensione di 10...15 V. Metà del diodo zener la tensione per l'alimentazione agli ingressi non invertenti degli amplificatori operazionali DA1 e DA3 deve essere ottenuta utilizzando un divisore costituito da due resistori identici con una resistenza di 68 kOhm, collegati allo stesso modo dei diodi Zener nello schema di Fig. 1. L'uso di diodi zener termicamente stabili non è giustificato, poiché sono tali solo con una corrente operativa di 10 mA, e qui la corrente che li attraversa è molto inferiore. Quando l'unità funziona in modalità di stabilizzazione della tensione con una tensione di uscita di 1,25 V, la polarizzazione di chiusura sui LED HL1 e HL2 è di circa 20 V, il che è inaccettabile per loro. Pertanto, qualsiasi diodo al silicio a bassa potenza dovrebbe essere collegato in serie con ciascuno di essi o semplicemente non installare i resistori R9 e R19. Per chiudere in modo affidabile i transistor VT21 e VT24, i diodi zener VD3 e VD6 devono avere una tensione di stabilizzazione garantita maggiore rispetto a VD9 e VD14, quindi è meglio usarli con gli indici G o D. Affinché i transistor VT5 e VT8 non lo siano aperti dalle correnti inverse dei fotodiodi U1.2 e U2.2 spenti, le loro giunzioni base-emettitore devono essere derivate con resistori 510...680 kOhm. Letteratura
Autore: A.Muzykov, Penza
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