Сетевой блок питания

Сетевой блок питания, о котором неоднократно говорилось ранее,— неотъемлемая часть радиолюбительской лаборатории. Он необходим для питания не только радиоизмерительных приборов, вошедших в комплект лаборатории, но и налаживаемых или иных конструкций на транзисторах или интегральных микросхемах.

Принципиальная схема предлагаемого блока питания показана на рис. 80.

 

Он состоит из двух стабилизированных выпрямителей, каждый из которых питается от своей, изолированной от других, обмотки. Первый (по схеме — верхний) выпрямитель обеспечивает на выходе неизменное постоянное напряжение 9 В при токе нагрузки до 100...150 мА и предназначен в основном для питания приборов измерительной лаборатории. Второй выпрямитель предназначается для 

налаживаемой или иной аппаратуры, рассчитанной на питание от одно- или двуполярного источника постоянного тока напряжением до +15 и —15 В при потребляемом токе до 300 мА в каждом плече. В обоих выпрямителях предусмотрена электронная защита от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке.

Рассмотрим принцип действия и назначение элементов выпрямителей блока питания.

Трансформатор Т1, включаемый обмоткой I в электроосветительную сеть напряжением 220 В, общий для обоих выпрямителей. Неоновая лампа HL1, подключенная к сетевой обмотке через токоограничительный резистор R1, служит индикатором включения блока питания. Конденсатор С1, шунтирующий эту обмотку, ослабляет проникание различных электрических помех из осветительной сети в цепи нагрузок, выпрямителей.

Обмотка II трансформатора питает однополярный выпрямитель с выходным напряжением 9 В. Индуцируемое в ней переменное напряжение 8...10 В подводится к двухполупериодному выпрямителю VD1.1, диоды которого включены по схеме однофазного моста. Оксидный конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, которое поступает на вход компенсационного стабилизатора, обеспечивающего нагрузке, подключенной к его выходу, стабильное постоянное напряжение, не изменяющееся из-за колебаний напряжения электросети и непостоянства потребляемого нагрузкой тока. Основой стабилизатора служит стабилитрон VD3 — специальный кремниевый диод, включенный в обратном направлении. При некотором обратном напряжении такой диод проби

вается (для него это неопасно), и дальнейшее незначительное повышение напряжения приводит к резкому увеличению тока через него. Другими словами, если обратный ток через стабилитрон не выходит за определенные пределы (для маломощных стабилитронов — от единиц до нескольких десятков миллиампер), напряжение на нем почти не изменяется. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на подключенной параллельно ему нагрузке также остается практически постоянным. Режим работы стабилитрона, т. е. нужный обратный ток через него, задает резистор R3, называемый балластным.

Снимаемое со стабилитрона напряжение (его называют напряжением стабилизации UCT; у используемого здесь стабилитрона Д814В оно может быть в пределах 9... 10,5 В) подается непосредственно на базу транзистора VT2, называемого регулирующим. Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя и, следовательно, работает как усилитель тока.

Принцип работы стабилизатора основан на том, что при фиксированном (неизменном) напряжении смещения на эмиттерном переходе транзистора (в данном случае VT2) изменение напряжения между эмиттером и коллектором почти не сказывается на силе эмиттерного тока (в данном случае — тока нагрузки). Иначе говоря, увеличение (уменьшение) напряжения, поступающего на вход стабилизатора от выпрямителя, например, из-за повышения (понижения) напряжения электросети приводит лишь к незначительному увеличению (уменьшению) выходного напряжения, обусловленному в основном приростом (снижением) напряжения на стабилитроне из-за увеличения тока через него.

При увеличении (уменьшении) тока нагрузки и связанном с этим снижением (повышением) напряжения на ней возрастает (падает) напряжение смещения на эмиттерном переходе транзистора VT2, поэтому в результате исходный режим питания нагрузки восстанавливается.

Надежность работы стабилизатора и максимальнй ток, потребляемый нагрузкой, зависят от параметров примененного регулирующего транзистора, поэтому предельно допустимое напряжение между его эмиттером и коллектором должно быть больше максимального входного напряжения, а предельно допустимый ток коллектора — больше максимального тока нагрузки. Чтобы во время работы регулирующий транзистор не перегревался, его устанавливают на теплоотводе.

Резистор R4, нагружающий стабилизатор в отсутствие нагрузки, необходим для того, чтобы и в этом случае регулирующий транзистор работал как усилитель тока. Сопротивление этого резистора должно быть таким, чтобы текущий через него ток был примерно на порядок больше так называемого обратного (начального) тока коллектор — эмиттер регулирующего транзистора — в данном случае примерно 5... 10 мА.

На выходе стабилизатора предусмотрены две пары гнезд XS1, XS2 и XS3, XS4, позволяющие подключать к нему одновременно два прибора лаборатории, например транзисторный вольтметр постоянного тока и генератор сигналов 34, либо использовать одну из них для контроля выходного напряжения.

Теперь — о защите стабилизатора от короткого замыкания в выходной цепи. Предположим, что провода, идущие от одной из' пар гнезд к нагрузке, оказались замкнутыми накоротко. В этом случае ток, текущий через регулирующий транзистор VT2, мгновенно увеличивается до значения, во много раз превышающего допустимое, и ограничивается лишь сопротивлением самого выпрямителя и обмотки II сетевого трансформатора. В результате регулирующий транзистор

сильно перегревается, происходит тепловой пробой его р-n переходов, перегружаются и выходят из строя диоды выпрямителя.

Чтобы этого не случилось, в стабилизатор напряжения введен узел защиты от КЗ в нагрузке, состоящий из германиевого р-п-р транзистора VT1, включенного в прямом направлении кремниевого диода VD2 и резистора R2, ограничивающего ток через него значением около 12...15 мА. Как видно, коллектор транзистора VT1 подключен к аноду стабилитрона VD3, эмиттер соединен с выходом стабилизатора, ,а база — с катодом диода VD2. Последний в данном случае выполняет функции стабистора (так называют стабилизирующие диоды, работающие на прямом участке вольт-амперной характеристики), поддерживающего на базе транзистора VT1 неизменное напряжение около 0,6...0,7 В относительно общего провода.

В обычном режиме работы стабилизатора транзистор узла защиты надежно закрыт, так как напряжение на его базе относительно эмиттера положительное, и никакого влияния на стабилизатор не оказывает. При возникновении КЗ эмиттер транзистора VT1, как и эмиттер регулирующего транзистора VT2, оказывается соединенным с общим плюсовым проводом выпрямителя. Другими словами, напряжение на его базе относительно эмиттера становится отрицательным, вследствие чего транзистор открывается, входит в режим насыщения и своим малым сопротивлением участка эмиттер — коллектор шунтирует стабилитрон VD3. В результате регулирующий транзистор VT2 переходит в состояние, близкое к закрытому, и ток через него мгновенно уменьшается до небольшого безопасного.

После устранения КЗ напряжение смещения на эмиттерном переходе транзистора VT1 снова становится положительным, и он закрывается, а регулирующий транзистор VT2 открывается и вновь начинает работать как усилитель тока.

Переходим к двуполярному выпрямителю. В последние годы радиолюбители все шире используют в своих конструкциях операционные усилители в интегральном исполнении, например, серий К140, К153, К544 и др., требующие двуполярного питания. Есть двуполярный источник напряжения и в описываемом блоке питания. В его состав входят обмотка III сетевого трансформатора Т1, имеющая отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель VD1.2 с фильтрующими конденсаторами СЗ, С5 и стабилизаторы напряжения на транзисторах VT4, VT5, VT7, VT8 и стабилитронах VD5, VD6, VD8 и VD9. Цепи R5VD4, R10VD7 и транзисторы VT3, VT6 образуют узлы защиты стабилизаторов от КЗ в нагрузке.

По схемному построению плечи двуполярного источника симметричны и различаются только структурой используемых в них транзисторов и полярностью включения стабилитронов и оксидных конденсаторов. По принципу работы каждый из них аналогичен описанному выше однополярному источнику. Разница лишь в том, что в стабилизаторах двуполярного источника предусмотрено плавное регулирование выходных напряжений, а в качестве регулирующих применены составные транзисторы.

Рассмотрим работу одного из плеч двуполярного источника, например верхнего (по схеме на рис. 80). В нем источником нестабилизированного напряжения служит напряжение, действующее на фильтрующем конденсаторе СЗ. В параметрическом стабилизаторе использованы два стабилитрона Д814А (VD5, VD6), соединенные последовательно. Снимаемое с них напряжение, равное

ме их напряжений стабилизации (около 15 В), через переменный резистор R7.1, выполняющий функции делителя, подается на б'азу транзистора VT4, образующего с транзистором VT5 составной регулирующий транзистор стабилизатора верхнего плеча. По мере перемещения движка резистора R7.1 вверх (также по схеме) напряжение смещения на базе составного транзистора, а значит, и на выходных гнездах XS5 и XS6 возрастает от нуля до 15 В. Узел защиты (цепь R5VD4 и транзистор VT3) работает точно так же, как и аналогичное устройство однополярного источника. Оксидный конденсатор С4 служит в основном для шунтирования цепей питания налаживаемых устройств по низшим звуковым частотам.

Конструкция и детали. Внешний вид сетевого блока питания и размещение его основных деталей в корпусе показаны на рис. 81. Конструкция корпуса и гнездовых колодок такая же, как в авометре, измерителе RCL и генераторах сигналов 34 и РЧ. Глубина корпуса определяется габаритами примененных в блоке деталей и выбрана равной 95 мм. Сетевой трансформатор Т1 установлен непосредственно на нижней стенке корпуса, а выпрямительный блок VD1, оксидные конденсаторы, транзисторы и другие детали выпрямителей и стабилизаторов смонтированы на гетинаксовой плате размерами 195x90 мм, закрепленной в корпусе с помощью двух П-образных кронштейнов из листового алюминиевого сплава толщиной 1,5 мм. Соединения между трансформатором и выпрямительным блоком КЦ403Е, монтажной платой и гнездовыми колодками и другими деталями, находящимися за ее пределами, выполнены проводом МГШВ сечением 0,35 мм2. Во избежание касания монтажных стоек и выводов деталей с охватывающей магнитопровод трансформатора стальной обечайкой к последней клеем «Момент» приклеена прокладка из электрокартона толщиной 0.5 мм.

Разметка передней стенки корпуса показана на рис. 82. Прямоугольное отверстие в ее левой части предназначено для «глазка», светящегося при включении индикаторной лампы HL1, отверстие диаметром 12 мм под ним—для выключателя питания Q1. Прямоугольное отверстие в правой части стенки служит «окном» шкалы выходных напряжений двуполярного источника, отверстие диаметром 6,5 мм под ним — для валика сдвоенного переменного резистора R7. Отверстия диаметром 2,2 и 3,2 мм с зенковкой предназначены для винтов с потайными головками и заклепок, которыми к передней стенке корпуса прикреплены гнездовые колодки, полочка с неоновой лампой HL1 (см. рис. 83), кронштейн резистора R7, уголки крепления задней стенки.

Надписи, поясняющие назначение органов управления и гнезд, нанесены на полосы плотной бумаги и прикрыты накладкой из прозрачного органического стекла толщиной 2 мм. С ее внутренней стороны, точно посередине «окна» шкалы двуполярного источника, процарапана и заполнена черной краской риска, служащая указателем шкалы.

На рис. 84 показано крепление на передней стенке корпуса 3 кронштейна 4 со сдвоенным переменным резистором R7 и выходной трехгнездной колодки 1 двуполярного источника. Кронштейн 4 согнут из полосы листового алюминиевого сплава шириной 20 мм. На валик переменного резистора туго насажена втулка с резьбой (такая же, как в измерителе RCL и генераторе сигналов 34), на которой с помощью гаек закреплен диск 2 диаметром 60 мм со шкалой 5, вычерченной на плотной бумаге. Окончательно кронштейн с переменным резистором закрепляют на передней стенке корпуса после того, как шкала будет отградуирована и приклеена к диску.

Зажим заземления закрепляют на задней стенке корпуса и соединяют с общей шиной регулируемого источника гибким монтажным проводом МГШВ сечением 0,35 мм2.

Разметка монтажной платы (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит толщиной 2...3 мм) и схема соединений деталей на ней приведены на рис. 85, а ее внешний вид — на рис. 86. Монтажными стойками служат отрезки медного луженого провода диаметром 1,5 мм, запрессованные в отверстия в плате. Все постоянные резисторы—МЛТ-0,25 (можно использовать МЛТ-0,5), сдвоенный переменный резистор R7 — СП-Ш группы А (с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота движка). Оксидный конденсатор С2 — К50-16, СЗ, С5 — К50-6, С4 и С6 — К50-3. Емкость конденсаторов С2, СЗ и С5 может быть и больше указанной на схеме (это улучшит сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения), а вот увеличивать емкость конденсаторов С4 и С6 нежелательно во избежание нарушения работы узлов защиты двуполярного источника от короткого замыкания в нагрузке.

Диоды VD2, VD4 и VD7 могут быть и другого, чем указано на схеме, типа, но обязательно кремниевыми.

Иного типа могут быть и стабилитроны, важно лишь, чтобы снимаемые с них образцовые напряжения ненамного отличались от тех, что обеспечивают примененные в блоке стабилитроны серии Д814. Выключатель Q1—тумблер ТП2-1.

Выпрямительный блок КЦ403Е можно заменить любым другим из этой серии или двумя блоками КЦ405Е.

Можно использовать и выпрямительные диоды, например, серий Д226, МД226, КД105 и т. п., соединив их по схеме моста. Схема соединений диодов такого выпрямителя показана на рис. 87. Здесь диоды VD1 — VD4 образуют выпрямительный мост однополярного источника, а диоды VD5 — VD8 — двуполярного. Германиевые транзисторы VT1 и VT6 — любые из серий МП39 — МП42, VT3 — любой из серий МП35 — МП38 со статическим коэффициентом передачи тока h2is^50.

Мощные транзисторы VT2, VT5 и VT8 (в пластмассовых корпусах) установлены на Г-образных теплоотводах из листового алюминиевого сплава толщиной 2,5 мм. Размеры части, на которой закреплен транзистор,— 30X70 мм, а полки для крепления теплоотвода к монтажной плате — 30X10 мм. Для лучшего отвода тепла транзисторы закреплены на теплоотводах без изолирующих прокладок, поэтому они и крепящие их винты с гайками М3 не должны касаться ни монтажных проводов, ни винтов крепления платы к кронштейнам, ни стенок корпуса блока.

В качестве сетевого применен переделанный выходной трансформатор кадровой развертки телевизора ТВК-110Л-1. Этот трехобмоточный трансформатор выполнен на ленточном магнитопроводе ШЛМ20Х32. Его обмотка I содержит 2140 витков провода ПЭВ-1 0,17, обмотка II—214 витков ПЭВ-1 0,64, обмотка III—238 витков провода ПЭВ-1 0,17. В обмотке I, используемой в переделанном трансформаторе в качестве сетевой, число витков уменьшают до 1540, в обмотке II, используемой в качестве обмотки III двуполярного источника, сделан отвод от середины. Обмотка III ТВК-110Л-1 удалена совсем, а на ее месте намотана новая обмотка II для однополярного источника, содержащая 80 витков провода ПЭВ-1 0,36.

Порядок доработки трансформатора ТВК-1ЮЛ-1 следующий. Сняв скрепляющий кожух, разбирают магнитопровод и удаляют щечки каркаса, предварительно отпаяв от имеющихся на них контактов выводы обмоток. Затем каркас с обмотками плотно насаживают на деревянную болванку, снимают наружную ленту пропарафиненной бумаги, аккуратно сматывают на катушку возможно большего диаметра весь провод обмотки I (она верхняя) и удаляют находящуюся под ней обмотку III. Далее сматывают 107 витков (т. е. половину) обмотки И, делают отвод и вновь наматывают смотанный провод этой обмотки, после чего, используя провод обмотки I ПЭВ-1 0,17, наматывают им один слой (первый электростатический экран), затем 1540 витков (новая обмотка I), затем еще один отдельный слой (второй электростатический экран), а поверх него — 80...85 витков провода ПЭВ-1 0,36 — обмотку II однополярного источника. Между обмотками и электростатическими экранами, а также между слоями обмоток делают бумажные прокладки из тонкой кабельной или конденсаторной бумаги (можно использовать прокладки, освободившиеся при разборке трансформатора ТВК-110Л-1).

Можно поступить иначе. Точно по сечению сердечника магнитопровода склеить из электротехнического картона новый каркас (в ТВК, гильза каркаса пластмассовая), первой намотать на него сетевую обмотку I, затем электростатический экран (в этом случае достаточно одного), затем обмотку II и, наконец, обмотку III. 

при сборке смесью порошка феррита марки 1000НН и эпоксидной смолы, составленной в пропорции 2 : 1.

Разумеется, сетевой трансформатор можно намотать целиком заново, используя подходящий магнитопровод сечением 8... 10 см2. Число витков в обмотках w, приходящееся на 1 В переменного напряжения, можно определить по упрощенной формуле w=50/S, где 50 — усредненный коэффициент (для описанного трансформатора он взят несколько меньше), a S — сечение магнитопровода в квадратных сантиметрах. Пластины Ш-образных магнитопроводов собирают вперекрышку, чтобы не было воздушного зазора.

Испытание и налаживание. Прежде всего надо проверить правильность монтажа (нет ли ошибок?), обратив особое внимание на полярность включения диодов, стабилитронов, транзисторов и оксидных конденсаторов. Только после этого можно приступать к испытанию и налаживанию блока питания. На это время монтажную плату лучше не закреплять на кронштейнах в корпусе, а расположить ее рядом с ним, соединив с сетевым трансформатором и другими деталями изолированными проводами достаточной длины.

Начать рекомендуется с однополярного источника. Включив питание тумблером Q1, сразу же измеряют вольтметром постоянного тока напряжение на конденсаторе С2 фильтра выпрямителя и выходных гнездах XS1, XS2 или XS3, XS4. На конденсаторе оно может быть в пределах 12...14 В, а на выходе — на несколько десятых долей вольта (на величину напряжения на эмит-терном переходе транзистора VT2) меньше напряжения стабилизации используемого стабилитрона VD3. Установить на выходе напряжение, в точности равное 9 В, можно подбором стабилитрона. Однако в этом нет особой необходимости— для приборов лаборатории отклонение выходного напряжения от указанной величины на несколько десятых долей вольта в ту или иную сторону не имеет практического значения.

Затем в анодную или катодную цепь стабилитрона VD3 включают миллиамперметр с пределом измерения 50...100 мА и подбором резистора R3 устанавливают в этой цепи ток, равный 15...18 мА. При подключении к выходным гнездам нагрузки сопротивлением 60..;80 Ом, функции которой может выполнять проволочный резистор с рассеиваемой мощностью 5...10 Вт, ток через стабилитрон должен уменьшиться до 8...10 мА, а напряжение на нагрузке остаться практически неизменным.

Далее испытывают узел электронной защиты стабилизатора от КЗ в выходной цепи. Для этого в разрыв одного из проводов, идущих от конденсатора С2 к стабилизатору напряжения, включают амперметр на ток не менее 0,5 А, к выходу подключают эквивалент нагрузки, потребляющей ток не менее 100... ...150 мА, и коротким отрезком провода или пинцетом замыкают накоротко выходные гнезда испытываемого источника. При этом ток, текущий через амперметр, должен резко уменьшиться до 20...30 мА, что будет свидетельствовать о срабатывании узла защиты. Причиной несрабатывания может быть ошибка в монтаже деталей узла, неисправность или слишком малый коэффициент передачи тока h2ie транзистора VT1.

Аналогично испытывают и налаживают каждое плечо двуполярного источника. Напряжения в его цепях, указанные на схеме блока питания, измеряют вольтметром постоянного тока относительно общего нулевого провода. При повороте оси сдвоенного переменного резистора R7 в направлении движения часовой стрелки напряжения на выходах плеч источника должны одновременно

Магнитопровод собирают, предварительно удалив бумажные прокладки, создававшие в нем немагнитный зазор, и тщательно зачистив мелкозернистой наждачной бумагой места соединения его частей. Надежность работы и КПД трансформатора повысятся, если места стыка половин магнитопровода смазать 

плавно возрастать от 0 до 15 В, а между гнездами XS5 и XS7 — до 30 В. На замыкание гнезд XS5 и XS7 или подключенных к ним проводов узлы защиты не реагируют.

Шкалу выходных напряжений двуполяриого источника градуируют с помощью вольтметра постоянного тока, подключенного к гнездам XS5, XS6 или XS6, XS7. Медленно поворачивая ручку сдвоенного переменного резистора R7, на шкале делают отметки, соответствующие показаниям вольтметра. Образец готовой шкалы показан на рис. 84.

Установив и надежно закрепив в корпусе сетевой трансформатор и монтажную плату, заменяют временные соединения постоянными, еще раз убеждаются в том, что ни один из неизолированных соединительных проводов или теплоотводов транзисторов или какие-либо другие детали источников не соприкасаются с корпусом блока питания, и закрывают блок крышкой.