Alimentatore stabilizzato UMZCH. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I moderni UMZCH, con una potenza di uscita di picco impressionante, che a volte raggiunge fino a 200 W, impongono requisiti piuttosto severi alla loro fonte di alimentazione. Di solito richiedono una tensione bipolare di 2 X (30...40) V con una corrente di picco fino a 10 A in ciascun braccio. In genere, nel raddrizzatore vengono utilizzati condensatori di livellamento ad alta capacità, che raggiungono fino a 20000 μF o più. Ma anche con questi, le cadute di tensione raddrizzate alla corrente di carico di picco raggiungono 2...3 V, il che richiede che l'UMZCH abbia un elevato fattore di soppressione dell'ondulazione della tensione di alimentazione. L'autore propone di dotare l'alimentatore UMZCH di uno stabilizzatore che garantisca la qualità richiesta della tensione di alimentazione.

Recentemente, nei progetti UMZCH amatoriali, un raddrizzatore e un blocco di condensatori ad alta capacità vengono sempre più posizionati sulla scheda dell'amplificatore, riducendo così la lunghezza dei cavi di collegamento e la caduta di tensione su di essi. A volte è necessario un alimentatore che all'accensione la tensione alle sue uscite aumenti gradualmente (il cosiddetto "soft start"). Se si verificano varie situazioni di emergenza, ad esempio un cortocircuito nel carico dell'UMZCH, un malfunzionamento dei suoi transistor di uscita e altri sovraccarichi, l'alimentazione dell'UMZCH deve essere disattivata automaticamente. Lo stabilizzatore di tensione di alimentazione proposto consente di risolvere tutti questi problemi.

Principali caratteristiche tecniche

• Tensione stabilizzata in uscita, V.......2x35
• Corrente di carico massima di ciascun braccio, A........ 9
• Attivare la corrente di funzionamento della protezione, À........11
• Tempo di risposta totale della protezione, µs ....... 12
• Tempo di salita della tensione di uscita da zero al valore nominale, s......0,36
• Campo di ondulazione con una frequenza di 100 Hz all'uscita dello stabilizzatore con una corrente di carico di 5 A, µV......80

Il progetto era basato su un dispositivo tratto dall'articolo "UMZCH Supply Voltage Stabilizer" di V. Oreshkin ("Radio", 1987, n. 8, p. 31), il cui diagramma è mostrato in Fig. 1. Nonostante la sua semplicità e gli elevati dati tecnici (coefficiente di stabilizzazione superiore a 1000, spegnimento automatico in caso di cortocircuito dell'uscita, possibilità di montare transistor di potenza direttamente su un dissipatore di calore senza guarnizioni), questo stabilizzatore presenta anche alcuni inconvenienti. Si avvia instabilmente con una corrente di carico elevata e la corrente quando l'uscita è chiusa non è standardizzata e dipende dai coefficienti di trasferimento dei transistor utilizzati, il che a volte porta al loro guasto.

Riso. 1. Schema del regolatore di tensione UMZCH

Nel corso del tempo sono comparsi nuovi componenti elettronici, sono diventati disponibili potenti transistor ad effetto di campo, che hanno spinto l'autore a sperimentare un modello computerizzato del dispositivo proposto da V. Oreshkin, creato nel simulatore LTspice IV, e a migliorare Esso. Il circuito di alimentazione nato da tali esperimenti è mostrato in Fig. 2.

Riso. 2. Circuito di alimentazione (clicca per ingrandire)

Innanzitutto è stato modificato il circuito di trigger dello stabilizzatore e i transistor bipolari sono stati sostituiti con quelli ad effetto di campo. Dal diagramma presentato in Fig. 1, si può vedere che il transistor VT2 è deviato dal resistore R3 con una resistenza di 470 Ohm, attraverso il quale scorre la corrente di carica iniziale del condensatore C2. Se il carico è leggero, la tensione di uscita inizia ad aumentare finché lo stabilizzatore non entra in modalità di stabilizzazione. Quando la corrente di carico è inferiore a I=U_O/R3=19/470=40 mA, quando il transistor VT2 è praticamente chiuso, tutte le ondulazioni della tensione raddrizzata passano attraverso il resistore R3 al braccio negativo. Se la resistenza del carico è bassa, la corrente attraverso questo resistore potrebbe non essere sufficiente per avviare normalmente lo stabilizzatore e potrebbe non avviarsi affatto.

Nella nuova versione, il circuito di attivazione è costituito da un diodo zener VD11 e un resistore R22 in un braccio e VD12 con R23 nel secondo (per simmetria). Durante il processo di commutazione, quando la tensione sui condensatori di livellamento C7-C10 raggiunge un valore pari alla tensione di stabilizzazione dei diodi zener VD11 e VD12, i transistor VT 11.1 e VT11.2 iniziano ad aprirsi. Seguendoli, i transistor di potenza VT9 e VT10 si aprono. La tensione all'uscita dello stabilizzatore aumenta e la tensione tra la sorgente e il drain dei transistor VT9 e VT10 diminuisce. Quando la tensione sui diodi Zener VD11 e VD12 scende al di sotto della tensione di stabilizzazione, la corrente attraverso questi diodi Zener si interromperà. Inoltre, non influiscono sul funzionamento dello stabilizzatore. Questo metodo di avviamento è affidabile anche con una corrente di carico di 9 A. La corrente di carico minima è quasi zero.

La tensione di uscita del braccio positivo dello stabilizzatore è uguale alla somma delle tensioni di stabilizzazione dei diodi zener VD13, VD15 e della tensione di interruzione del transistor VT11.1 e del braccio negativo - rispettivamente, dei diodi zener VD14, VD16 e il transistor VT11.2. Per avviare senza problemi lo stabilizzatore, si è rivelato sufficiente bypassare i diodi zener VD13-VD16 con i condensatori C23-C26. La velocità di variazione della tensione di uscita prima che inizi la stabilizzazione è uguale alla velocità di aumento della tensione attraverso questi condensatori. Con i valori degli elementi indicati nel diagramma, il tempo necessario allo stabilizzatore per raggiungere la modalità è di circa 360 ms. Gli oscillogrammi del processo di lancio, ottenuti su un modello computerizzato, sono mostrati in Fig. 3.

Riso. 3. Oscillogrammi del processo di innesco

Per ridurre la potenza dissipata dai transistor VT9 e VT10, le sorgenti dei transistor VT 11.1 e VT 11.2 non sono collegate a un filo comune, ma ai punti di connessione di diodi zener e resistori (rispettivamente VD15, R29 e VD16, R30). Pertanto, i potenziali di sorgente dei transistor VT11.1 e VT11.2 sono uguali alla tensione di stabilizzazione dei corrispondenti diodi Zener (6,2 V in valore assoluto). Ciò consente di modificare la tensione di controllo alle porte dei transistor VT9 e VT10 non a 0 V, come nel prototipo, ma a più o meno 6 V. In questo caso, la tensione tra la sorgente e il drain di questi transistor con ripple i picchi possono scendere fino a 3 V e al di sotto senza uscire dalla modalità di stabilizzazione.

Ciò è illustrato dagli oscillogrammi ottenuti mediante modellazione al computer in Fig. 4. Verde - tensione alla sorgente del transistor VT10, blu - tensione al suo gate, rosso - tensione alla sorgente del transistor VT11.2 (6,2 V), blu - corrente di carico del braccio negativo. Si può vedere che la tensione al gate del transistor VT10 si trova approssimativamente a metà strada tra la tensione alla sua sorgente e alla sorgente del transistor VT11.2, e talvolta scende al di sotto di 3 V.

Riso. 4. Oscillogrammi

Allo stabilizzatore è stata aggiunta una protezione dalla corrente di attivazione, che viene attivata quando la corrente di carico di qualsiasi ramo dello stabilizzatore supera 11 A. È costruita sui transistor VT3, VT5, VT7 nel braccio positivo e VT4, VT6, VT8 nel braccio positivo braccio negativo. I sensori di corrente sono resistori R11-R14, collegati a coppie in parallelo. La protezione viene attivata quando la tensione su qualsiasi coppia di resistori scende di più di 0,5...0,6 V, che corrisponde a una corrente che scorre attraverso di essi di 11...12 A.

Al raggiungimento di questa soglia, i transistor delle celle trigger VT3VT5 o VT4VT6 e, di conseguenza, i transistor VT7 e VT8 si aprono come una valanga. Quest'ultimo, dopo essersi aperto, devia i diodi zener VD13 e VD14, riducendo così drasticamente la tensione di uscita. I resistori R21 e R24 limitano la corrente di collettore dei transistor durante la scarica dei condensatori collegati in parallelo ai diodi zener. I LED HL1 e HL2 nei circuiti di base dei transistor VT7 e VT8 segnalano che la protezione è intervenuta. La corrente che li attraversa non supera i 6 mA.

I condensatori C19 e C20 insieme ai resistori R17 e R18 formano filtri passa-basso che aumentano l'immunità al rumore del sistema di protezione. Non è desiderabile aumentare i valori di questi condensatori oltre 4700 pF, poiché ciò aumenterà il tempo di risposta della protezione e le correnti di picco attraverso i transistor VT9 e VT10. Affinché la protezione funzioni simultaneamente in entrambi i bracci dello stabilizzatore, viene fornita la comunicazione tra le celle di attivazione tramite i condensatori C21 e C22.

Dopo l'intervento della protezione, i transistor VT9 e VT10 rimangono chiusi finché il dispositivo non viene scollegato dall'alimentazione. I transistor delle celle di trigger si chiuderanno e i LED HL1 e HL2 si spegneranno solo dopo che i condensatori di livellamento C7-C10 si saranno scaricati. Rimane un problema: garantire una scarica rapida dei condensatori di livellamento dopo lo spegnimento. È risolto dai nodi sui transistor VT1 e VT2, identici in entrambi i canali. Considereremo quindi solo il nodo installato nel canale positivo.

Quando il dispositivo è collegato alla rete, il condensatore C17 viene caricato tramite il diodo VD9 ad una tensione approssimativamente uguale all'ampiezza della tensione proveniente dall'avvolgimento II del trasformatore T1. Il condensatore C15 viene caricato tramite il resistore R5 e scaricato tramite i diodi VD3, VD4 e il ponte a diodi VD1. Il potenziale di gate del transistor VT1 diventa uguale al potenziale della sua sorgente o anche leggermente inferiore, quindi il transistor è chiuso. Lo stato chiuso del transistor VT1 viene mantenuto finché viene applicata la tensione di alimentazione. Dopo lo spegnimento, i diodi VD3 e VD4 si chiudono. Grazie al resistore R5, la tensione gate-source del transistor aumenta fino alla tensione di stabilizzazione del diodo zener VD7. Dopo l'apertura, il transistor VT1 collega i resistori R3 e R7 in parallelo con i condensatori C7 e C8, accelerandone la scarica. Con un valore di picco della corrente di scarica di 10 mA la durata della scarica si riduce a 20...780 s, il che è abbastanza accettabile per i transistor utilizzati.

Nella fig. La Figura 5 mostra un disegno dei conduttori del circuito stampato di dimensioni 175x80 mm, su cui è stato assemblato l'alimentatore descritto. È realizzato su entrambi i lati con una pellicola in fibra di vetro spessa 1,5 mm. Lo spessore del foglio è di almeno 50...70 micron e, meglio, 110 micron. Il posizionamento delle parti sulla scheda è mostrato in Fig. 6, il suo aspetto è in Fig. 7. I transistor VT9 e VT10 sono montati sul lato condizionatamente inferiore della scheda e fissati al dissipatore di calore. Sulla scheda sono presenti dei fori per l'accesso alle viti che fissano i transistor.

Riso. 5. Disegno dei conduttori dei circuiti stampati

Riso. 6. Posizionamento delle parti sul tabellone

Riso. 7. Aspetto del consiglio

Fondamentalmente vengono utilizzati resistori a montaggio superficiale di dimensione 0805 e i resistori R27-R30 sono di dimensione 2512 (potenza 1 W). Resistori R1-R4, R7, R8 - MLT o simili importati. Resistenze sensore di corrente R11-R14 - KNP-100. Sono installati su entrambi i lati della scheda. Invece di ciascuna coppia di questi resistori, potete usarne uno con metà della resistenza e una potenza di 1...2 W.

Condensatori C1-C6, C8, C10-C14, C29, C30 - film metallico K73-17 per una tensione di almeno 63 V o loro analoghi importati. Condensatori C19-C22 - ceramici per montaggio superficiale, dimensione 0805 o 1206. Condensatori all'ossido C23-C26 - tantalio, dimensione D o E, C7 e C9 - serie in alluminio LS di Jamicon, C27, C28, C31, C32 - serie in alluminio RD da SAMWHA, il resto sono K50-35 o simili importati.

I diodi Zener DL4751A e DL4735A possono essere sostituiti con altri con una tensione di stabilizzazione di 30 V ± 5% e 6,2 V ± 5%, rispettivamente, nel pacchetto MELF. Se non sono presenti ponti a diodi GBJ2502 è possibile installarne invece altri con corrente di 25 A con tensione inversa ammissibile di almeno 100 V, oppure assemblare ciascun ponte da quattro diodi singoli con barriera Schottky con parametri adeguati. Sostituzione dei diodi RS1B - diodi della stessa serie o diodi a bassa potenza con una tensione inversa di almeno 60 V.

I transistor ad effetto di campo IRFD024 possono essere sostituiti da altri transistor a canale N con gate isolato e tensione drain-source consentita di 50...60 V, ad esempio IRFZ24, IRFZ34, IRFZ44, ma il circuito stampato dovrà essere regolato. Invece dei transistor BSS63 e BSS64 nelle unità di protezione da sovraccarico, è consentito utilizzare qualsiasi transistor bipolare a bassa potenza di uso generale della struttura appropriata nel pacchetto SOT23 con una tensione massima collettore-emettitore di almeno 50 V.

In sostituzione dei transistor IRF1405 e IRF4905, dovresti selezionare potenti transistor ad effetto di campo con gate isolato, velocità più elevata e caratteristiche di pendenza elevata. È inoltre necessario che abbiano una soglia minima di tensione source-gate.

Un microassemblaggio di due transistor ad effetto di campo con canali di diversi tipi di conduttività IRF7343 può essere sostituito con FDS4897C o FDS4559. Se riduci la tensione di ingresso e di uscita dello stabilizzatore rispettivamente a 30 V e 27 V, puoi utilizzare il microassemblaggio IRF7319. I transistor di questi microassiemi hanno una tensione di soglia gate-source piccola (circa 1 V) che è quasi identica in valore assoluto. Naturalmente è possibile utilizzare transistor separati ad effetto di campo a bassa potenza con una tensione drain-source massima di almeno 45 V, ma in questo caso la differenza nella tensione di uscita dei bracci stabilizzatori potrebbe diventare maggiore.

Un'unità correttamente assemblata non necessita praticamente di regolazioni, ma è comunque consigliabile effettuare la prima accensione con una lampada ad incandescenza di potenza 40...60 W, collegata in serie al primario del trasformatore T1. Quando è acceso, dovrebbe accendersi e poi spegnersi. Quindi dovresti misurare la tensione di uscita, dovrebbe essere entro 35 ± 0,5 V. Cortocircuitando brevemente l'uscita di uno dei bracci dello stabilizzatore con un potente resistore da 3 Ohm, assicurati che la protezione sia attivata. Ripristinato il funzionamento dello stabilizzatore verificare con un oscilloscopio che non siano presenti increspature visibili nella tensione in uscita alla frequenza di rete.

Di seguito sono riportati gli oscillogrammi delle pulsazioni reali della tensione di uscita di uno stabilizzatore operante su UMZCH con un carico di resistenza di 4,7 Ohm. La curva gialla su di essi è la tensione all'uscita dell'UMZCH, quella blu è la componente alternata della tensione all'uscita dello stabilizzatore (tra i punti A e C o B e C). Gli oscillogrammi sono stati rilevati nelle seguenti condizioni:

Riso. 8 - non c'è segnale all'ingresso UMZCH, la corrente di riposo dell'amplificatore è 0,25 A;

riso. 9 - Ampiezza della tensione di uscita UMZCH - 25 V, frequenza - 10 kHz, intervallo di ondulazione - inferiore a 10 mV;

Riso. 10 - ampiezza degli impulsi all'uscita di UMZCH - 20 V, frequenza - 30 Hz.

Riso. 8. Oscillogrammi

Riso. 9. Oscillogrammi

Riso. 10. Oscillogrammi

Va notato che il trasformatore T1 deve avere una potenza sufficiente per fornire una corrente di carico massima di 10 A. La tensione attraverso i condensatori di livellamento dei raddrizzatori ai picchi di corrente di carico non deve scendere al di sotto di 38 V. Tenendo conto del fattore di cresta della musica segnale, che di solito è vicino a tre, la potenza del trasformatore per ciascun canale UMZCH dovrebbe essere di circa 200 W o più. L'autore ha utilizzato un trasformatore da 180 W su un circuito magnetico toroidale.

Autore: M. Muravtsev

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