8-900-374-94-44
Компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного действия последовательного типа обладают невысоким КПД, однако большим коэффициентом стабилизации и низким выходным сопротивлением. Поэтому они всё ещё имеют широкое распространение. Однако им свойственна низкая надёжность при перегрузке или замыкании в нагрузке. Это особенно опасно для транзисторных устройств, поэтому приходится вводить в стабилизаторы сложные узлы защиты с датчиками тока. В рассматриваемом в этой статье мощном двухполярном стабилизаторе напряжения выходной ток ограничен. Устройство не боится перегрузок и может работать на фильтрующие конденсаторы большой ёмкости.
Анализ схем УМЗЧ позволяет сделать вывод о том, что для питания их выходных ступеней стабилизаторы напряжения непрерывного действия применяют редко. Причины этого — высокая стоимость таких стабилизаторов, большие энергетические потери при их применении, а главное — «и так сойдёт», ведь работает и без стабилизатора.
Когда стабилизатора нет, напряжение питания усилителя меняется в зависимости от нагрузки в широких пределах (в AV-ресивере «Pioneer-714» — 30…50 В). Дело в том, что среднее выходное напряжение выпрямителя с ёмкостным фильтром сильно зависит оттока нагрузки. Причём конденсаторы фильтра заряжаются импульсами в каждом полупериоде сетевого напряжения. Процесс может занять несколько полупериодов, и это частично передаётся в нагрузку УМЗЧ.
В радиолюбительской литературе неоднократно высказывалось мнение о необходимости питать УМЗЧ от стабилизированного источника для обеспечения более естественного звучания. Действительно, при максимальной выходной мощности усилителя размах пульсаций напряжения нестабилизированного источника достигает нескольких десятков вольт. Это незаметно на пиковых значениях высокочастотных составляющих звуковых сигналов, но сказывается при усилении их низкочастотных составляющих большого уровня, пики которых имеют большую длительность. В результате фильтрующие конденсаторы успевают разрядиться, снижается напряжение питания, а значит, и пиковая выходная мощность усилителя.
Если же снижение напряжения питания таково, что приводит к уменьшению тока покоя выходных транзисторов усилителя, это может вызывать дополнительные нелинейные искажения.
Кардинальный способ подавления пульсаций и нестабильности напряжения питания — его стабилизация. Стабилизатор снижает пульсации напряжения на линиях питания на один-два порядка, что позволяет без труда получить максимальную амплитуду выходного сигнала усилителя. Кроме снижения уровня фона частотой 50 (100) Гц, уменьшаются также нелинейные искажения и вероятность ограничения сигнала на пиках громкости. Увеличивается запас по предельно допустимым параметрам транзисторов выходной ступени усилителя. Снижается вероятность проникновения сетевых помех на выход усилителя.
Кроме того, применение стабилизатора позволяет упростить усилитель, что благотворно сказывается на звуке. Ещё один плюс — функцию защиты выходной ступени усилителя от перегрузки тоже можно поручить стабилизатору.
Из минусов — реализация мощного и надёжного стабилизатора напряжения непрерывного действия становится существенной финансовой проблемой и технически непростой задачей.
Помимо этого, возникает необходимость отводить от силовых транзисторов стабилизатора большое количество тепла. Суммарные КПД и рассеиваемая мощность усилителя вместе со стабилизатором гораздо хуже, чем без него.
Для повышения качества источника питания в нём желательно применить сетевой трансформатор с пониженной индукцией. Как известно, пусковой ток обычных трансформаторов достигает значений, значительно превосходящих рабочий ток. Уменьшение амплитуды индукции в магнитопроводе вдвое значительно повышает надёжность, уменьшает поток рассеивания трансформатора и уменьшает его пусковой ток до значения, не превышающего номинальный ток холостого хода. Однако меньшая индукция приводит к увеличению необходимого числа витков обмоток и, как следствие, к ухудшению массогабаритных показателей трансформатора, его стоимости и возрастанию потерь энергии на активном сопротивлении обмоток. Но ведь речь идёт о действительно высококачественном звуковоспроизведении, не так ли? А звучание усилителя, питающегося стабилизированным напряжением, существенно лучше по сравнению со звучанием того же усилителя без стабилизатора.
Двухполярный стабилизатор напряжения, схема которого изображена на рисунке, предназначен для питания УМЗЧ.
Рис. Двухполярный стабилизатор напряжения
Основные технические параметры
Число каналов стабилизации ………………………2
Выходные напряжения, В ………….+41 и -41
Максимальный ток нагрузки каждого канала, А …………… 4
Размах пульсаций при токе нагрузки 4 А, мВ……………4,7
Рассеиваемая мощность при максимальном токе нагрузки, Вт………………180
Он состоит из двух независимых стабилизаторов напряжения положительной и отрицательной относительно общего провода полярности. Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности. Схема стабилизатора отрицательной полярности представляет собой, по существу, зеркальное отражение схемы стабилизатора положительной полярности. Поэтому подробно рассмотрим только стабилизатор напряжения положительной полярности.
Переменное напряжение, снимаемое с обмотки II трансформатора T1, выпрямляет двухполупериодный выпрямитель на сдвоенных диодах Шотки VD3 и VD4 SR30100P, имеющих изолированный корпус, поэтому их удобно крепить на общем теплоотводе.
Через помехоподавляющий дроссель L1 выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие и помехоподавляющие конденсаторы C8-C16 и далее на уравнивающие эмиттерные токи параллельно соединённых транзисторов VT1-VT9 резисторы R3-R11. Эти резисторы имеют довольно большое сопротивление, что способствует эффективной «изоляции» коллекторных цепей транзисторов VT1 -VT9 от сетевых помех.
Вместе с транзистором VT20 транзисторы VT1-VT9 образуют мощный составной транзистор с большим коэффициентом усиления тока. Базовый ток транзистора VT20 втекает в коллектор транзистора VT22. Транзистором VT22 управляет напряжение с выхода ОУ DA3.1.
К выходу стабилизатора подключены соединённые последовательно стабилитроны VD13, VD14, суммарное напряжение стабилизации которых служит образцовым для рассматриваемого стабилизатора.
Вместо стабилитронов можно установить резистор такого сопротивления, чтобы вместе с резистором R29 он обеспечивал нулевой потенциал в точке их соединения при номинальном выходном напряжении стабилизатора. Но по сравнению со стабилитронами это менее эффективный вариант. Сдвинутый стабилитронами или резистором потенциал в системе стабилизации представляет собой сигнал рассогласования и поступает на инвертирующий вход ОУ DA3.1, неинвертирующий вход которого соединён с проводом «0».
Имейте в виду, что провода «О» и «Общ.» должны быть соединены между собой и с общим проводом питаемого от стабилизатора устройства (усилителя) на плате последнего. Это значительно уменьшает уровень наводок и помех в стабилизированном напряжении. Резистор R21 обеспечивает работоспособность стабилизатора, когда к нему не подключён усилитель.
В процессе работы ОУ непрерывно сравнивает потенциал на своём инвертирующем входе с нулевым потенциалом на неинвертирующем входе. Далее он так управляет транзистором VT22, а вместе с ним и составным транзистором VT20, VT1-VT9, чтобы на выходе стабилизатора поддерживалось заданное напряжение.
Предположим, напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось вследствие увеличения тока нагрузки. Потенциал на инвертирующем входе ОУ DA3.1 станет отрицательным относительно неинвертирующего, и напряжение на выходе ОУ увеличится. Это приведёт к увеличению коллекторного тока транзистора VT22, а с ним базового и эмиттерного тока транзистора VT20. В результате увеличится суммарный коллекторный ток транзисторов VT1-VT9, компенсируя приращение тока нагрузки. Выходное напряжение вернётся к прежнему значению.
Устройство мягкого старта на транзисторе VT19 и реле K1 обеспечивают плавное нарастание напряжения на батарее конденсаторов C28-C30, С34- C63 при подключении стабилизатора (первичной обмотки трансформатора T1) к сети. В этот момент через резистор R2 начинает течь ток, заряжающий конденсатор C27. Когда через 30…35 с напряжение, приложенное к стабилитрону VD9, достигает 36 В, он открывается. Это приводит к открыванию транзистора VT19 и срабатыванию реле K1, которое переключает резисторы, ограничивающие выходной ток стабилизатора.
Пока реле не сработало, этот ток ограничен резистором R32 до 450…650 мА, что устраняет бросок тока зарядки батареи конденсаторов С28-СЗО, С34-С63 общей ёмкостью более 100000 мкФ. Сработавшее реле подключает параллельно резистору R32 резистор R35. С этого момента стабилизатор может отдавать в нагрузкуток, достигающий 4 А.
При случайном замыкании выхода стабилизатора с общим проводом ток тоже не превысит 4 А, но резко увеличится мощность, рассеиваемая на транзисторах Vt1-VT9. Однако она не превысит 25 Вт на каждый транзистор. Из этого следует, что стабилизатор напряжения надёжен и не боится замыканий в нагрузке.
Чтобы точно установить уровни ограничения тока, необходимо временно заменить резистор R32 переменным резистором сопротивлением около 500 кОм, а резистор R35 не устанавливать. Движок переменного резистора переведите в положение максимального сопротивления. Замкнув выход стабилизатора амперметром, включите стабилизатор и плавно уменьшайте сопротивление переменного резистора, наблюдая за показаниями амперметра.
При достижении требующегося безопасного пускового тока выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным резистором такого же сопротивления.
Затем вместо резистора R35 подключите переменный резистор сопротивлением 100 кОм, а к выходу стабилизатора через амперметр — максимальную нагрузку. Включите стабилизатор и дождитесь срабатывания реле. После этого начинайте плавно уменьшать сопротивление переменного резистора. При достижении номинального напряжения стабилизации и заданного максимального тока нагрузки выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным.
Такую же процедуру нужно выполнить и со стабилизатором отрицательного напряжения. Нельзя просто устанавливать резисторы R33 и R36 такого же сопротивления, как соответственно R32 и R35. Дело в том, что коэффициенты передачи тока у транзисторов, применённых в обоих стабилизаторах, существенно различаются. Например, у транзисторов 2SA1943 он — около 140, а у 2SС5200 — только 85.
Трансформаторы T1 и T2 — заказные с пониженной индукцией и вторичными обмотками на 2×54 В (со средними выводами) при токе нагрузки 5 А. Трансформаторы устанавливают каждый со своей стороны в самой нижней части теплообменника (акваблока) системы водяного охлаждения стабилизатора. Акваблок служит своеобразным шасси, на котором размещены все узлы устройства. Перед установкой трансформаторов для них формуют с помощью эпоксидной смолы идеально плоские посадочные площадки. Затем резьбовыми шпильками М12 трансформаторы прижимают к акваблоку.
В режиме холостого хода напряжение на выходах выпрямителей (входах собственно стабилизаторов) — 76 В. При подключении к выходу стабилизатора нагрузки сопротивлением 10 Ом оно падает до 64 В. Если необходим больший ток нагрузки, например 10 А, то номиналы резисторов R3-R20 следует уменьшить до 10 Ом.
Диоды-супрессоры VD1 и VD2 предназначены для гашения перенапряжений во время переходных процессов, сопровождающих включение стабилизатора в сеть.
При правильном монтаже и сборке стабилизатор начинает работать без каких-либо проблем. При непрерывной нагрузке током 4 А на транзисторах VT1-VT9 рассеивается мощность около 60 Вт (по 6 Вт на каждом транзисторе). На каждом из резисторов R3-R11 — по 4 Вт. Совместно стабилизаторы напряжения положительной и отрицательной полярности рассеивают около 180 Вт. Две пары стабилизаторов для питания усилителей левого и правого стереоканалов, установленные на общем акваблоке, рассеивают 360 Вт.
Акваблок состоит из двух отрезков дюралюминиевой шины сечением 100×10 мм и длиной 1000 мм, стянутых винтами по периметру. Для герметизации стыка между шинами применён автомобильный герметик. На внутренней поверхности каждой шины отфрезерованы по две параллельные канавки размерами 960x15x4 мм, по которым течёт охлаждающая вода. Общее сечение водопроводящего канала — 15×8 мм, его суммарная длина — 1920 мм, расход воды — 0,75 л/мин, температура воды на входе акваблока — 24 °C, на выходе — 29 °C. Вода поступает из водопровода через одноступенный фильтр.
Четырёхлетний опыт эксплуатации такой открытой системы водяного охлаждения показал стабильность её тепловых параметров. Но систему можно сделать и закрытой с циркуляцией дистиллированной воды через акваблок и внешний автомобильный радиатор.
Транзисторы VT1-VT18 смонтированы на печатной плате с алюминиевой подложкой, прижатой к акваблоку с применением теплопроводной пасты. Температура поверхности платы — около 34 °C. Транзисторы 2SA1943 и 2SС5200 нагреваются до температуры около 50 °C. Испытания показали, что эта температура в течение трёх часов работы оставалась неизменной.
Описанная система охлаждения компактна, эффективна и абсолютно бесшумна. Она позволяет отводить около киловатта тепловой мощности. В качестве сигнализатора аварийного отсутствия проточной воды в системе в подводящем её трубопроводе установлен датчик давления ДРД-40. Он идеально подходит для стандартной водопроводной сети. При аварийном отключении воды контакты этого датчика размыкаются и отключают стабилизатор от электрической сети.
Кроме того, необходимо установить датчики температуры на одном или нескольких транзисторах 2SA1943, которые, как показала практика, нагреваются сильнее, чем транзисторы 2SС5200. Такие же датчики рекомендуется установить и на трансформаторах.
Автор: В. Федосов, г. Краснодар
Автор предлагает двухполярныи стабилизатор напряжения питания, пригодный для усилителей мощностью до 50- 100 Вт на канал. Устройство выполнено на мощных полевых транзисторах, способных работать при многократных кратковременных перегрузках по току. Применение таких стабилизаторов в значительной степени оправдано в усилителях с высокой чувствительностью к изменению и пульсациям питающего напряжения, что особенно присуще несложным усилителям без общей обратной связи.
Как известно, для питания мощного выходного каскада УМЗЧ в ряде конструкций используется отдельный источник питания, а остальная часть усилителя питается от стабилизатора напряжения.
Большинство таких источников питания — нестабилизированные и представляют собой два двухполупе-риодных выпрямителя (на напряжения положительной и отрицательной полярности) со средней точкой со сглаживающими конденсаторами. Это нестабили-зированное напряжение не используется остальной частью усилителя, если в нём есть дополнительные узлы и коммутатор источников сигнала (полный, «интегральный» усилитель). Кроме того, общая обратная связь, применяемая в большинстве УМЗЧ, существенно снижает чувствительность к пульсациям напряжения питания. А если глубина общей ООС невелика или её совсем нет, пульсации питающего напряжения могут прослушиваться через акустические системы.
Кардинальным способом подавления пульсации и нестабильности является питание выходных каскадов усилителя стабилизированным напряжением, однако применение интегральных стабилизаторов тоже наталкивается на ряд проблем. Дело в том, что такие стабилизаторы имеют относительно большое падение напряжения. Кроме того, в них, как правило, встроены ограничители по току и мощности, которые вообще могут свести на нет достоинства стабилизатора.
Можно, конечно, применить интегральный стабилизатор большой мощности (например, с выходным током в 10 А), однако его стоимость, на мой взгляд, неприемлема.
Альтернативой при решении этой задачи может быть использование в стабилизаторе напряжения питания мощных полевых транзисторов. Эти транзисторы, кстати, недороги и имеют малое сопротивление открытого канала (сотые доли ома) и максимальный ток до 70… 100 А, что позволяет конструировать стабилизаторы с очень малым падением напряжения (не более 0,25 В) при токе до 20 А.
Параметры описываемого стабилизатора следующие. При выходном напряжении в 27 В его максимальный ток достигает 4,5 А. При таком токе нагрузки минимальное рабочее напряжение между входом и выходом не превышает 0,25 В. Разница между выходным напряжением стабилизатора без нагрузки и напряжением при токе нагрузки в 4,5 А составляет не более 0,15 В, при токе в 6 А эта разница не превышает 0,16 В.
Такие параметры стабилизатора обеспечивают применённые в нём мощные полевые транзисторы — IRF4905 (р-канальный) с максимальным током стока 74 А и сопротивлением открытого канала в 0,02 Ом и IRL2505 (п-канальный), с соответствующими током 104 А и сопротивлением 0,008 Ом.
Рис. 1
Двухполярный стабилизатор состоит из двух независимых источников напряжения положительной и отрицательной полярности (рис. 1). Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности. Для удобства сравнения нумерация соответствующих элементов различается лишь префиксами 1 и 2.
Вначале о некоторых особенностях стабилизатора. В нём имеются три критических элемента — это конденсаторы С2 и СЗ и стабилитрон VD1.
Указанные на схеме значения ёмкости конденсаторов С2 и СЗ являются в некотором смысле компромиссом: при их уменьшении возникает вероятность самовозбуждения стабилизатора. Увеличение их ёмкости до 1 мкФ приводит к тому, что на выход стабилизатора проникают пульсации, которые всегда имеются в выпрямленном напряжении.
Теперь несколько слов о том, почему был выбран стабилитрон VD1 (BZX55-C7V5) с напряжением стабилизации 7,5 В. Целесообразно выбрать такой стабилитрон, у которого дифференциальное сопротивление минимально (оно влияет на свойства всего стабилизатора).
Из всех стабилитронов серии BZX55 наименьшее дифференциальное сопротивление (7 Ом) имеют стабилитроны BZX55-C7V5 и BZX55-C8V2. Если входное напряжение стабилизатора менее 20…25 В, целесообразно использовать стабилитрон на напряжение не более 3,3 В (например, BZX55-C3V3).
Схема стабилизатора отрицательной полярности с небольшими изменениями позаимствована из [1] и уже однажды была применена мной для регулятора скорости вращения дрели (с запасом по току 20…30 А). По сравнению со схемой из [1] в схеме на рис. 1 изменены номиналы некоторых конденсаторов, резисторов, добавлен стабилитрон VD2 для защиты затвора VT2 от пробоя и использован стабилитрон (VD1) на другое напряжение стабилизации (7,5 В).
Схема стабилизатора положительной полярности является зеркальным отражением схемы стабилизатора отрицательной полярности Вместо n-ка-нального в нём использован р-ка-нальный полевой транзистор IRF4905 в корпусе ТО-220 (VT2), вместо биполярного транзистора структуры р-п-р — транзистор структуры n-p-n ВС337-40 или КТ503Б (VT1), а нагрузка параллельного стабилизатора DA1 (TL431CZ в корпусе ТО-92) включена в его анодную цепь Хотя такое включение нагрузки менее известно, оно наиболее распространено в импульсных источниках питания компьютеров.
Несколько замечаний о том, как описываемый стабилизатор можно доработать для использования при напряжении питания +/-35…45 В. В этом случае сопротивление резистора R4 (620 Ом) нужно увеличить до 0,9.. 1 кОм, чтобы ток через стабилизатор DA1 (TL431CZ) не превышал половину его максимального тока 50 мА. Вместо комплементарной пары транзисторов ВС327/ВС337 (Uкэ max = 45 В, Iктах = 0,8 А, РКmax = 0,6 Вт) следует использовать пару с неСКОЛЬКО бОЛЬШИМ напряжением иКэ max.
например, 2SA1284/2SC3244 (UK3max = 100 В, lKmax = 0,5 А, РКmах = 0,9 Вт). Полевые транзисторы желательно установить на теплоотводы с большой площадью охлаждения Необходимо также добавить, что для установки нужного напряжения стабилизации потребуется изменение номиналов резисторов R5, R6 и R7. Стабилитрон желательно использовать на напряжение стабилизации 7,5 В (BZX55-C7V5). Микросхему TL431CZ рекомендую приобретать производства National Semiconductor, Texas Instruments, Vishay, Motorola.
Все резисторы, кроме подстроечно-го R6 (СПЗ-19А) имеют мощность 0,25 Вт, керамические конденсаторы — нанапряжение 50 В.
Рис. 2
Поскольку мне понадобилось две платы двухполярного стабилизатора (по одной на каждый канал УМЗЧ), с помощью программы Sprint Layout 5.0 я развёл печатный монтаж платы (рис. 2 распечатал её чертёж на кальке, предназначенной для печати лазерным принтером, и изготовил методом, описанным мной в [2, 3]. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3
Рис. 3
Для тестирования работы стабилизатора я использовал три цифровых мультиметра, два из которых измеряли входное и выходное напряжения стабилизатора, а третий в режиме амперметра — его выходной ток. Здесь необходимо добавить, что схема на рис. 4 использована для тестирования стабилизатора положительного напряжения Подобным образом проверены свойства и стабилизатора отрицательного напряжения.
Рис. 4
В качестве нагрузки (R1) применён керамический резистор SQP мощностью 20 Вт сопротивлением 1 Ом, а в качестве R2 — резистор ПЭ-75 мощностью 75 Вт сопротивлением 5 Ом.
Таким образом общее сопротивление нагрузки (6 Ом) стабилизатора соответствовало общей мощности 95 Вт. а ток — 4,5 А.
В качестве источника питания при тестировании стабилизатора мной использован доработанный стабилизированный блок питания Б5-47, в котором выходное напряжение (до 30 В) обеспечивается при токе нагрузки до 4 5 А (до 3 А без доработки). Для повышения предела ограничения тока до 4,59 А необходимо в разъеме дистанционного управления, расположенном на задней стенке блока установить перемычки между контактами 23, 24, 26 и 50, а на лицевой панели выставить максимальное значение тока 2,99 А
Результаты тестирования работы стабилизаторов полностью подтвердили их параметры. Стабилизаторы имеют значительный запас по току, а мощность в нагрузке каждого из стабилизаторов соответствует 121,5 Вт, что в сумме составляет 243 Вт.
Если мощность одного канала усилителя Р = 35 Вт, а сопротивление на-
грузки R = 4 Ом, то амплитуды напряжения сигнала U » 17 В и тока lm = 4,25 А.
Это означает что, если стабилизатор двух-полярный и состоит из стабилизаторов положительной и отрицательной полярности, каждый из них должен обеспечивать максимальный ток 4,25 А.
Если выходное напряжение стабилизатора составляет 27 В и ток в нагрузке 4,25 А, то эквивалент нагрузки соответствует сопротивлению RэKB = 6,35 Ом. Вот поэтому и выбрано сопротивление нагрузки стабилизатора, равное 6 Ом.
При испытаниях использован также реальный выпрямитель источника питания с большим током и высоким уровнем пульсации (накопительный конденсатор емкостью 10000 мкФ и выпрямительные диоды DSS 60-0045В (Uoбp = 45 В, lmax = 60 А, Uпр = 0,35 В/10 А), включённые по мостовой схеме.
Описываемый стабилизатор устойчив и к кратковременным перегрузкам. Я использовал его для регулировки скорости вращения дрели, у которой пусковой ток двигателя достигает 20 А. Таким образом, стабилизатор имеет значительный запас по току, позволяющий использовать его с большими теп-лоотводами и в более мощных УМЗЧ Теперь несколько слов об установке и регулировке стабилизатора в усилителе
Прежде всего, необходимо оценить с помощью осциллографа минимальные значения питающего напряжения выходных каскадов УМЗЧ при максимальной нагрузке.
Для этого к выходу УМЗЧ следует подключить резистор номиналом, равным сопротивлению АС (4 или 8 Ом) и мощностью, соответствующей максимальной для УМЗЧ На вход усилителя подать от генератора 34 сигнал частотой 20…30 Гц, а регулятором громкости установить уровень сигнала, соответствующего максимальной мощности усилителя.
Далее нужно определить минимальное абсолютное значение (с учётом амплитуды пульсаций) питающих напряжений и установить подстроечным резистором R6 напряжение стабилизации приблизительно на 1 В меньше этого минимального значения в каждом из стабилизаторов.
До установки двух плат таких стабилизаторов в каждый из каналов в усилитель («Кумир У-001») я заменил диоды КД208А (Unp = 1 В/1.5 А) в мостовых выпрямителях источников питания диодами Шотки MBR10100 (Unp = 0,45 В/1,5 А) и диоды КД209А в стабилизаторе напряжения 30 В диодами HER503. Кроме того ёмкость сглаживающих конденсаторов увеличил в два раза (как в выпрямителях выходных каскадов, так и в стабилизаторе 30 В).
После установки стабилизаторов в корпус и включения усилителя необходимо проверить и подстроить баланс выходных каскадов по постоянному току, а затем ток покоя мощных транзисторов
Отрегулировав режимы работы транзисторов выходных каскадов УМЗЧ с установленными стабилизаторами, я обнаружил заметное снижение фона даже на максимальной чувствительности при отсутствии входного сигнала.
Литература
1 Нечаев И. Модуль мощного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе. — Радио, 2005, № 2. с 30. 31
2 Кузьминов А. Метод фоторепродуцирования для изготовления фотошаблона печатных плат в домашних условиях. — Технологии в электронной промышленности, 2010 №5-7
3 Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. — Технологии в электронной промышленности, 2010. № 8-10
Автор: А.Кузьминов, г. Москва
— Реклама —
Микросхемы LM317T и LM337T — это хорошо известные недорогие регулируемые стабилизаторы напряжения, способные обеспечить выходной ток до 1,5 А с рассеиваемой мощностью до 20 Вт.
LM317T создает положительное выходное напряжение, а LM337T — отрицательное.
Полезно иметь биполярный источник питания с LM317T и LM337T, дающими симметричную выходную мощность. Однако одновременная регулировка обоих выходных напряжений является проблемой.
Обычное решение состоит в создании следящего регулятора напряжения с операционным усилителем, который отслеживает положительный или отрицательный выход источника питания. Но здесь источники питания и другие параметры операционного усилителя могут быть ограничивающими факторами для требуемой выходной мощности.
Другим решением является использование стереопотенциометра (потенциометра) для одновременной регулировки обоих выходных источников питания. Стереопотенциометры хорошего качества имеют небольшую разницу (около ±5%) между двумя выходами. Если эта разница слишком велика, вы можете использовать дополнительные потенциометры для регулировки выходного напряжения до точно такого же значения.
Здесь представлена схема двухполярного блока питания с регулируемыми регуляторами LM317T и LM337T. Схема обеспечивает возможность более точной регулировки выходного напряжения с помощью отдельных потенциометров. Кроме того, выходные напряжения можно регулировать от уровня земли, а не от типичного ±1,25 В.
Принципиальная схема двухполярного источника питания с LM317T и LM337T показана на рис. 1. Он построен на основе понижающего трансформатора 18В-0-18В (X1), мостового выпрямителя 1А (BR1), регулируемый стабилизатор положительного напряжения LM317T (IC1), регулируемый стабилизатор отрицательного напряжения LM337T (IC2), восемь диодов 1N4001 (от D1 до D8) и несколько других компонентов.
Рис. 1: Схема двухполярного источника питания с регулируемыми регуляторами
Сеть переменного тока 230 В подается на первичную обмотку трансформатора X1. Вы можете выбрать трансформатор в соответствии с вашими требованиями к максимальному выходному напряжению и току.
Здесь трансформатор X1 используется для получения регулируемого выходного напряжения до ±15 В.
Мостовой выпрямитель BR1 должен быть рассчитан на ток не менее 1 А. Главные фильтрующие конденсаторы С5 и С6 должны быть не менее 2200мкФ, 40В. Нерегулируемое положительное напряжение подается на контакт 3 микросхемы IC1, а нерегулируемое отрицательное напряжение подается на контакт 2 микросхемы IC2.
Секция регулируемого источника питания включает LM317T, LM337T и стереопотенциометр
VR2(A)+VR2(B) для одновременной регулировки выходных напряжений. Выходное напряжение LM317T обычно начинается примерно с 1,25 В, а выходное напряжение LM337T — примерно с -1,25 В. Здесь D1 и D2 создают положительное опорное напряжение около +1,3 В, которое используется в качестве смещения для IC2. Кроме того, D3 и D4 создают отрицательное опорное напряжение около -1,3 В, которое используется в качестве смещения для IC1.
Поэтому выходные напряжения V3 и V4 могут начинаться практически с уровня земли.
Если вам нужна лучшая стабильность, используйте эталонные диоды на 1,2В, например LM385-1.2, вместо обычных диодов с D1 по D4. Диоды с D5 по D8 защищают стабилизаторы от обратного напряжения.
Установите IC1 и IC2 на соответствующие радиаторы, имеющие тепловое сопротивление менее 4°C/Вт. Максимальная рассеиваемая мощность может достигать 10 Вт, если вам нужен выходной ток выше 0,5 А при самых низких выходных напряжениях. При расчете необходимого размера радиатора учитывайте, что максимальная рассеиваемая мощность LM317T и LM337T в корпусе ТО-220 составляет 20 Вт, тепловое сопротивление переход-корпус 4°C/Вт, а максимальная температура перехода +125°C.
Схема печатной платы биполярного блока питания в натуральную величину показана на рис. 2, а схема его компонентов — на рис. 3. После сборки схемы на печатной плате подключите клеммы вторичной обмотки трансформатора к точкам, обозначенным X1 на печатной плате. Закрепите потенциометры с VR1 по VR3 на передней стороне шкафа, чтобы можно было легко регулировать напряжения.
Рис. 2: Компоновка печатной платы для биполярного источника питания
Рис. 3: Компоновка печатной платы
Для тестирования подключите схему к сети переменного тока 230 В. Далее к выходному разъему подключите нагрузочные резисторы от 33 до 51 Ом с мощностью рассеивания не менее 10Вт (желательно выше 20Вт). Установите дворники VR1 и VR3 в среднее положение. Изменяя стереопотенциометр VR2(A)+VR(B), отрегулируйте выходное напряжение до требуемого напряжения, например, около ±10 В. Варьируйте VR1 и/или VR3, если требуется дополнительная регулировка выходного напряжения. Теперь, если вы подключаете и отключаете нагрузки, выходные напряжения V3 и V4 должны немного измениться вокруг исходного значения ±10 В.
Эта статья была впервые опубликована 25 января 2018 г. и обновлена 27 марта 2020 г.
к Алан Уолш Скачать PDF
Для обеспечения высокой точности прецизионным испытательным и измерительным системам требуются решения для источников питания с низким уровнем пульсаций и излучаемых шумов, чтобы не ухудшать характеристики сигнальных цепей преобразователя высокого разрешения.
Это стимулирует решения, которые требуют все меньшего и меньшего размера печатной платы при сохранении производительности. Внедрение решений с низким уровнем шума в этих приложениях может привести к большему, чем хотелось бы, размеру печатной платы и/или снижению энергоэффективности из-за чрезмерного использования регуляторов LDO или схем фильтров.Например, шине импульсного источника питания с пульсациями 5 мВ на частоте 1 МГц потребуется комбинированный коэффициент ослабления источника питания (PSRR) 60 дБ или выше от регулятора LDO и АЦП с питанием, чтобы уменьшить пульсации переключения, наблюдаемые на выходе АЦП. до 5 мкВ или менее. Это будет доля LSB для 18-битного АЦП с высоким разрешением.
К счастью, существуют решения, которые упрощают эту задачу за счет более высокого уровня интеграции решения по питанию с устройствами и компонентами µModule ® , которые обеспечивают более высокую эффективность при одновременном снижении излучаемого шума и пульсаций при переключении, таких как Silent Switcher 9Устройства 0083 ® и регуляторы LDO с высоким коэффициентом отклонения источника питания (PSRR).
Многие прецизионные контрольно-измерительные приборы, такие как источники измерения или источники питания, требуют многоквадрантной работы для получения и измерения как положительных, так и отрицательных сигналов. Это требует генерации как отрицательного, так и положительного питания от одного положительного источника питания с низким уровнем шума и эффективным образом. Давайте рассмотрим систему, которая требует генерации биполярного питания от одного положительного входного источника. На рис. 1 показаны решения по питанию, которые генерируют ±15 В и ±5 В и используют положительные и отрицательные регуляторы LDO для фильтрации/уменьшения пульсаций переключения, а также генерируют дополнительные шины, такие как 5 В, 3,3 В или 1,8 В, для питания схем формирования сигнала или АЦП и ЦАП.
Рис. 1. Решение по питанию для неизолированной биполярной системы питания (±15 В и ±5 В) с низкой пульсацией питания.
Показанные здесь решения для шин питания были разработаны с использованием системного конструктора, входящего в состав LTpowerCAD ®.
Инструмент проектирования LTpowerCAD ® представляет собой комплексную программу проектирования источников питания, которая может значительно упростить задачи проектирования источников питания для многих силовых продуктов.
LTM8049 и ADP5070/ADP5071 позволяют нам взять один положительный вход, усилить его до требуемого положительного напряжения и инвертировать его для создания отрицательного напряжения питания. LTM8049— это решение µModule, которое значительно упрощает количество компонентов, необходимых для этого — нам просто нужно добавить входной и выходной конденсаторы. Наряду с упрощением задачи проектирования с точки зрения выбора компонентов и компоновки платы для импульсных стабилизаторов, LTM8049 также минимизирует площадь печатной платы и список материалов, необходимых для создания биполярных источников питания. Там, где требуется эффективность при более легких нагрузках (<~100 мА), лучшим выбором будет ADP5070/ADP5071. Хотя для решения ADP5070 требуется больше внешних компонентов, таких как катушки индуктивности и диоды, оно позволяет больше настраивать решение по питанию.
LT3032 включает в себя как положительный, так и отрицательный малошумящий LDO-регулятор в одном корпусе с широким рабочим диапазоном. LT3023 включает в себя два малошумящих положительных LDO-регулятора с широким рабочим диапазоном. Оба стабилизатора LDO сконфигурированы для работы с минимальным запасом мощности (~0,5 В), чтобы максимизировать эффективность, а также обеспечить хорошее подавление пульсаций на каскаде импульсного регулятора. Оба регулятора LDO доступны в небольших корпусах LFCSP, которые уменьшают площадь печатной платы и упрощают спецификацию материалов. Если от регулятора LDO требуются гораздо более высокие уровни PSRR для дальнейшего уменьшения пульсаций переключения в диапазоне МГц, тогда регуляторы LDO, такие как LT3094/LT3045.
CN-0345 и CN-0385 — два примера эталонных проектов, реализующих это решение с использованием ADP5070. Эти конструкции предназначены для прецизионного многоканального сбора данных с использованием прецизионных АЦП, таких как 18-/20-разрядные AD4003/AD4020. В CN-0345 для фильтрации пульсаций переключения от ADP5070 используется колебательный контур LC вместо использования регулятора LDO, как показано на рисунке 1. В эталонном проекте CN-0385 используются положительные и отрицательные регуляторы LDO (ADP7118 и ADP7182). после ADP5070 для фильтрации пульсаций переключения. Пример питания биполярного 20-битного прецизионного ЦАП, такого как AD579.1 с ADP5070 можно найти в руководстве пользователя оценочной платы здесь.
Эти примеры показывают, как можно поддерживать высокий уровень точности при использовании импульсных стабилизаторов, таких как ADP5070, для создания биполярных источников питания в таких приложениях, как сбор данных и прецизионные источники/источники питания.
Когда прецизионный контрольно-измерительный прибор необходимо изолировать по соображениям безопасности, возникают проблемы с эффективной передачей достаточной мощности через изолирующий барьер. В многоканальных изолированных приборах межканальная изоляция означает решение по мощности на канал. Это требует компактного силового решения, которое может эффективно подавать энергию. На рис. 2 показано решение для подачи изолированного питания с помощью биполярных шин.
Рис. 2. Решение по питанию для изолированной биполярной системы питания с низкой пульсацией питания.
ADuM3470 и LTM8067 позволяют подавать питание через изолирующий барьер до ~400 мА при изолированном выходе 5 В с высокой эффективностью. LTM8067 — это микромодуль, объединяющий трансформатор и другие компоненты, которые упрощают конструкцию и компоновку решения для изолированного питания, сводя к минимуму площадь печатной платы и перечень материалов.
LTM8067 изолирует среднеквадратичное значение до 2 кВ. Для еще более низкой выходной пульсации в LTM8068 встроен выходной LDO-стабилизатор, который снижает выходную пульсацию с 30 мВ до 20 мкВ за счет снижения выходного тока до 300 мА.
Семейство ADuM3470 использует внешний трансформатор для подачи изолированного питания, а также интегрирует каналы цифровой изоляции для передачи данных и управления АЦП и ЦАП. В зависимости от того, как сконфигурировано решение по изоляции, за изолированным выходом мощности может следовать решение по питанию, подобное рисунку 1, как показано на рис. 2, чтобы генерировать шины ±15 В на изолированной стороне от одного положительного источника питания. В качестве альтернативы, конструкция ADuM3470 может быть сконфигурирована для генерирования биполярного питания напрямую без необходимости в дополнительном коммутаторе. Это приводит к решению с меньшей площадью печатной платы за счет эффективности. ADuM3470 обеспечивает изоляцию до 2,5 кВ (среднеквадратичное значение), но семейство ADuM4470 может использоваться для более высоких уровней изоляции напряжения до 5 кВ (среднеквадратичное значение).
CN-0385 является примером эталонного проекта, в котором реализовано решение ADuM3470, как показано на рис. 2. ADP5070 используется на изолированной стороне для создания биполярных шин ±16 В из изолированных 5,5 В. В этом эталонном проекте используется цифровых изолированных каналов, также включенных в ADuM3470. Аналогичная конструкция, в которой используется ADuM3470, — CN-0393. Это изолированная от банка система сбора данных на базе АЦП ADAQ7980/ADAQ7988 µModule. В этой конструкции ADuM3470 оснащен внешним трансформатором и двухполупериодным выпрямителем на диодах Шоттки для прямого генерирования напряжения ±16,5 В без необходимости в дополнительном каскаде стабилизатора. Это позволяет использовать решение с меньшей занимаемой площадью за счет более низкой эффективности. Аналогичное решение показано в CN-029.2, который представляет собой 4-канальное решение для сбора данных на основе AD7176 Σ-Δ АЦП, и CN-0233, который демонстрирует то же решение с изолированным питанием 16-разрядного биполярного ЦАП.
В этих примерах показано, как обеспечить изолированное питание для точного уровня производительности при изолированном сборе данных или изолированных источниках питания, сохраняя при этом небольшую площадь печатной платы и высокий уровень энергоэффективности.
В схеме источника питания, показанной на рис. 1, для понижения напряжения с 15 В до 5 В/3,3 В используется регулятор LDO. Это не очень эффективный способ создания шин низкого напряжения. Решение для повышения эффективности перехода к более низким напряжениям с помощью бесшумного переключателя, регулятора µModule LTM8074 показано на рис. 3.9.0003
Рис. 3. Решение по питанию для перехода на шины более низкого напряжения с низким уровнем электромагнитных помех.
LTM8074 — это бесшумный коммутатор, понижающий стабилизатор микромодуля в небольшом корпусе BGA размером 4 мм × 4 мм, обеспечивающий ток до 1,2 А с низким уровнем излучаемого шума.
Технология Silent Switcher устраняет паразитные поля, создаваемые коммутационными токами, тем самым уменьшая кондуктивные и излучаемые шумы. Высокая эффективность этого устройства µModule с очень низким излучаемым шумом делает его отличным выбором для питания чувствительных к шуму прецизионных сигнальных цепей. В зависимости от PSRR компонентов, подключенных к выходному источнику питания, таких как усилители, ЦАП или АЦП, может быть возможно запитать их напрямую от выхода Silent Switcher без необходимости в регуляторе LDO для дополнительной фильтрации пульсаций питания по мере необходимости. для традиционных коммутаторов. Его высокий выходной ток 1,2 А также означает, что его можно использовать для питания цифрового оборудования в системе, такой как FPGA, если это необходимо. Небольшие габариты LTM8074 и высокий уровень интеграции делают его идеальным решением для приложений с ограниченным пространством, а также упрощают и ускоряют проектирование и компоновку источника импульсного стабилизатора.
Если требуется дополнительная настройка за счет площади печатной платы, то можно реализовать дискретную реализацию устройства Silent Switcher с помощью такого продукта, как LT8609S. Эти продукты включают режим расширенного спектра для распределения энергии пульсаций на частоте переключения по полосе частот. Это уменьшает амплитуду паразитных тонов, появляющихся в прецизионной системе от источников питания.
Технология Silent Switcherв сочетании с высоким уровнем интеграции, присущим решениям µModule, решает проблему увеличения плотности для точных приложений, таких как многоканальные источники-измерители, без ущерба для производительности с высоким разрешением, которой должны достичь разработчики систем.
Создание биполярных систем питания с изоляцией для точных электронных испытаний и измерений может быть балансом между производительностью системы, сохранением небольшой занимаемой площади и энергоэффективностью. Здесь мы показали решения и продукты, которые помогают справиться с этими проблемами и позволяют разработчику системы найти правильный компромисс.
Балат, Фил Пауло, Джефферсон Эко и Джеймс Макасэт. «Предотвращение проблем при запуске из-за пускового тока в импульсных преобразователях». Аналоговый диалог , январь 2018 г.
Кнот, Стив. «Поставка чистой энергии с помощью регуляторов LDO со сверхнизким уровнем шума». Analog Devices, Inc., сентябрь 2018 г.Лимджоко, Олдрик. «Понимание выходных артефактов импульсного регулятора ускоряет проектирование источника питания». Аналоговый диалог , август 2014 г.
Луан, Остин. «Низкий уровень электромагнитных помех, бесшумный коммутатор, микромодульный регулятор 1,2 А в корпусе BGA 4 мм × 4 мм × 1,82 мм». Analog Devices, Inc., январь 2019 г.
Морита, Гленн. «Понимание концепций регулятора с малым падением напряжения (LDO) для достижения оптимального дизайна». Аналоговый диалог , декабрь 2014 г.
Обальдия, Эстибализ Санс и Джеймс Джаспер Макасэт.
AN-1359 Замечания по применению, Малошумящее решение с двойным питанием, использующее ADP5070 для прецизионного биполярного ЦАП AD5761R в системах с однополярным питанием . Analog Devices, Inc., март 2016 г.
Томпсит, Кевин. AN-1366 Application Note, Использование ADP5070/ADP5071 для создания положительной и отрицательной шин напряжения, когда V OUT < V IN . Analog Devices, Inc., июль 2015 г.
Уолш, Алан. «Питание прецизионного АЦП последовательного приближения с использованием высокоэффективного коммутатора со сверхнизким энергопотреблением в приложениях, чувствительных к энергопотреблению». Analog Devices, Inc., март 2016 г.
Алан Уолш
Алан Уолш (Alan Walsh) — инженер по системным приложениям в Analog Devices. Он присоединился к ADI в 1999 году и работает в Precision Instrumentation Group в Уилмингтоне, штат Массачусетс. Он получил степень бакалавра технических наук в области электронной инженерии в Университетском колледже Дублина.