Низковольтные стабилизаторы напряжения для питания радиоприемников

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Блоки питания

Опубликовано: 23.03.2017 12:39

Просмотров: 4464

С.А. Елкин, г. Житомир, UR5XAO
Использование для питания радиоприемников от сети так называемых универсальных сетевых адаптеров - достаточно простой, на первый взгляд, но, как показывает практика, не лучший вариант.

Дело в том,что в большинстве случаев схемы адаптеров фактически представляют собой трансформатор, у которого первичная обмотка имеет несколько отводов, которые последовательно подключаются с помощью переключателя к выпрямителю с фильтрующим конденсатором.
Отсюда следует, что выходное напряжение на выходе такого адаптера не стабилизировано, и зависит от величины нагрузки, поэтому реально никогда не соответствует значениям, написанным на шильдиках, нанесенных на корпусе устройства. Та же универсальность, как эксплуатационное достоинство, особенно при некорректном пользовании переключателем, чаще всего приводит к выходу из строя самого радиоприемника.
К тому же в таком «универсальном» источнике питания зачастую не приняты меры по устранению мультипликативных фонов [1],особенно при приеме на КВ.
Схемотехника
Предлагаемые стабилизаторы напряжения собраны по хорошо проверенной временем [2] схеме (рис.1 и рис.2) компенсационного стабилизатора напряжения (КСН) с применением транзисторов разной проводимости в устройстве сравнения и регулирующем устройстве. Работа схемы подробно описана там же.
Поскольку от схемы стабилизатора с такой конфигурацией получить значение напряжения, близкое к напряжению опорного стабилитрона, затруднительно, а стабилитроны с напряжением
стабилизации ниже 3,3 В (как и стабисторы КС 113, и КС 119) мало распространены, то при разработке схем стабилизаторов, имеющих выходное напряжение 4,5 и 3 В (напряжения питания, которые наиболее часто используются для питания современных радиоприемников), было принято оптимальное для практической реализации решение.
Как видно из схемы (рис.1),для получения выходного напряжения 4,5 В используется стандартный опорный элемент - стабилитрон КС433,который имеет напряжение стабилизации 3,3 В, а в схеме стабилизатора на 3 В (рис.2) используется аналог низковольтного стабилитрона на напряжение 1,7 В, который составлен из транзисторов различной проводимости VT4 и VT5 [3].
Стоит сразу же отметить, что схемы таких КСН имеют хорошую повторяемость, к тому же, такая конфигурация использовалась в стабилизаторах питания унифицированных телевизоров, иначе говоря, в условиях серийного производства.
КСН (рис.1 и рис.2) не боятся перегрузок по выходу,причем,что весьма существенно,для этого не требуется отдельных схемотехнических решений для обеспечения безопасного режима для регулирующего транзистора, поскольку благодаря собственной схемотехнике стабилизаторы обладают триггерным эффектом, что выражается в резком ограничении тока через регулирующий транзистор (до нескольких миллиампер) при возникновении перегрузки.
Кроме положительных свойств, схемотехника таких стабилизаторов, естественно, имеет и определенные недостатки, которые вытекают именно из их достоинств,что необходимо учитывать при самостоятельном изготовлении КСН в каждом конкретном случае



Рассмотрим два наиболее характерных варианта нечеткой работы КСН такого типа:
1.  Отсутствие выходного напряжения (запуска КСН) при включении без нагрузки.
2.  «Засыпание» стабилизатора при   работе на большую емкостную нагрузку.
В первом случае в начальную схему стабилизатора вводятся цепи запуска.
В популярной литературе опубликовано достаточное количество устройств для запуска КСН с такой структурой.
Самый простой из них - шунтирование перехода Э-К регулирующего транзистора резистором такой величины, чтобы обеспечить уверенный запуск при конкретной (лучше - максимальной) нагрузке.
Более сложные способы реализуют переключательные свойства стабилитрона [4], используют заряд конденсатора [5] и т.п.
При этом «правильная» цепь запуска, по возможности, должна быть простой и не оказывать заметного влияния на выходные параметры собственно стабилизатора.
Теперь рассмотрим второй упомянутый ранее случай - так называемое «засыпание» при работе стабилизатора на большую емкостную нагрузку.
Физический смысл «засыпания» как режима вполне естественен, поскольку для стабилизатора как устройства с быстродействующей защитой он эквивалентен именно возникновению перегрузки, поскольку в первый момент после включения внутреннее сопротивление конденсатора фильтра, который подключен параллельно выходу стабилизатора, имеет очень малое внутреннее сопротивление.
Выход из положения - уменьшение значения выходной емкости собственно стабилизатора до оптимальной величины или полное ее исключение (за счет использования штатной внутренней емкости радиоустройства, подключаемого к стабилизатору), или установка цепей запуска.
Для правильности понимания проявлений нечеткой работы КСН стоит также уделить определенное внимание реально используемым радиокомпонентам.
Хотим мы или не хотим, но после установки в собираемую схему КСН реальных радиокомпонен-
тов без всякого отбора, вероятнее всего, придется подгонять получившиеся выходные параметры, а также параметры отдельных узлов,которые их определяют.
В случае, когда все комплектующие «немножко» не те, надо четко себе представлять, что регулировка потребуется обязательно и что такой вариант является наиболее реальным именно в радиолюбительской практике.
Стоит также напомнить, что вообще использо-
вание транзисторов с коэффициентами усиления больше 60... 100 (особенно в многокаскадных схемах) в компенсационных стабилизаторах (в том числе при неудачном монтаже схемы), не всегда дает хорошие результаты.
Ведь стабилизатор напряжения -- это прозаический усилитель постоянного тока, который обязательно (!) имеет предел устойчивого усиления.
Второе - германиевые и кремниевые транзисторы - это вроде похоже, но отнюдь не совсем. И здесь есть свои нюансы.
Например, германиевый регулирующий транзистор имеет определенный неуправляемый ток эмиттер-коллектор,что собственно и эквивалентно присоединению некоторого внешнего резистора параллельно этому же переходу для кремниевого транзистора.
То же можно сказать и о значении напряжения открывания р-п-перехода (0,3...0,4 В) для германия, против (0,6...0,7 В) для кремния.
Отсюда становится понятным, что для стабилизатора с такой конфигурацией, который выполнен на кремниевых (установленных вместо германиевых) транзисторах, подключение резистора параллельно переходу эмиттер-коллектор регулирующего транзистора или наличие иной цепи запуска понадобятся практически всегда. Это и есть один из нюансов схемотехники.
Не нужно также иронизировать и над дискретной схемотехникой КСН, как над чем-то безнадежно устаревшим. Ведь и интегральные компенсационные стабилизаторы (ИКСН) имеют, между прочим, точно такие же недостатки, как «засыпание», триггерный эффект [6] и нестабильную работу при несоответствии входных напряжений паспортным.
К тому же ИКСН при коротких замыканиях в выходных цепях не уменьшают ток до полностью безопасных значений, а переходят в режим ограничения тока (на уровне максимального), что при недостаточной площади радиатора всего лишь затягивает их выход из строя.
Конструкция
Доработать(установив какие-либо дополнительные конструктивные элементы) в «вылизанную» (на предмет экономии материалов) конструкцию корпуса сетевого адаптера, т.е. разместить что-либо внутри,чаще всего бывает не просто!



Поскольку в реальных условиях приемник и источник питания предполагалось использовать установленными на столе, то было принято наиболее простое решение. Оно заключалось в вынесении платы, на которой размещены элементы стабилизатора и пластинчатого радиатора, на котором установлен регулирующий транзистор на второй и третий «этажи», расположенные вне корпуса адаптера.
Именно   это   конструктивное решение для стабилизатора с выходным напряжением 3 В для питания приемника SUNNY показано на фото.



Фиксирующими  элементами для установки  и крепления печатной платы и  радиатора стабилизатора   служат  две   П-образные   скобы   (рис.3)  которые  изготовлены  из стального  прутка диаметром   3    мм.   На   окончаниях   скоб   нарезана резьба М З. Скобы продеты с внутренней стороны в  отверстия, просверленные  для  этих  целей   в верхней крышке корпуса адаптера.
Для фиксации промежутка между верхней крышкой адаптера и печатной платой, а также между печатной платой и пластинчатым радиатором для регулирующего транзистора,использованы по четыре установочные (рис.4) втулки, навитые из медного провода диаметром 1 мм на оправку диаметром 3 мм. Высота втулок в первом случае равна 2 мм (несколько превышает высоту паек на печатной плате), а во втором -- 20 мм. Такое простое конструктивное решение в случае использования выпрямителя в стационарном варианте позволяет достаточно жестко зафиксировать печатную плату (рис.5-7) и радиатор (рис.8).
 В авторском варианте в качестве регулирующего транзистора для стабилизатора 3 В использован имевшийся в наличии германиевый транзистор 4NU72 в металлическом корпусе фирмы «Тесла». Возможна его замена современными кремниевыми транзисторами в металлическом (что лучше) или пластмассовом корпусе. Если в качестве регулирующего транзистора будет использован транзистор в пластмассовом корпусе, его следует установить с внутренней стороны теплоотвода.
Крепить транзистор следует через отверстие, которое просверлено в геометрическом центре (что наиболее эффективно) пластины-теплоотвода.
Настройка
Настройку производят в соответствии со схемой, показанной на рис.9, в следующем порядке. К входу и выходу КСН присоединяют вольтметры РА1 и РАЗ,а последовательно с опорным элементом включают миллиамперметр РА2. КСН подключают к реальному выпрямителю.


 
Если он не запустился, кратковременно замыкают выводы Э-К регулирующего транзистора и отмечают значение тока через опорный элемент.
Если стабилизатор запустился,также отмечают значение тока через опорный элемент (VD3 на рис.1 и VT4, VT5 на рис.2). Изменяя значение токоограничивающего резистора, который включен последовательно с опорным элементом, устанавливают значение тока через опорный элемент примерно равным его максимальному току. После этого к выходу стабилизатора присоединяют активную нагрузку,последовательно с которой включен амперметр РА4.
Изменяя сопротивления нагрузки, постепенно увеличивают ток через нее, наблюдают за изменением (уменьшением)тока через миллиамперметр РА2. Значение тока через нагрузку, при котором ток через опорный элемент уменьшится до минимального значения тока стабилизации (приводится в справочниках) последнего, и будет максимальным током нагрузки для стабилизатора.
При дальнейшем увеличении тока через нагрузку ток через стабилитрон станет еще меньше, и он закроется. Разумеется, что закроется и регулирующий транзистор. Иначе говоря,стабилизатор перейдет в устойчивое закрытое состояние - триггерный режим. Снятие перегрузки не приведет к появлению выходного напряжения. Выход из триггерного режима возможен только при снятии нагрузки и кратковременного отсоединения КСН от питающей сети.
Отсюда следует,что изменяя значение резисторов R3 в схемах рис.1 и рис.2 соответственно, можно регулировать значение тока через КСН от максимального в сторону уменьшения, подогнав его таким образом под «возможности» провода вторичной обмотки трансформатора,а если смотреть шире, то и под конкретную задачу, которую необходимо решить.
Небольшие значения резисторов R3 в авторских вариантах схемы получились в связи со значительной «просадкой» (при токе через нагрузку 300 мА) напряжения на выходе первичного источника постоянного тока (А1 на рис.9), и именно потому, что первичная обмотка трансформатора намотана тонким проводом.
При повторении схем по рис.1 и рис.2 с использованием другого адаптера (другого выходного напряжения первичного выпрямителя) стоит также проверить значение тока через стабилитрон VD2 в устройстве запуска КСН в режиме короткого замыкания. Его значение не должно превышать значения максимального тока через стабилитрон. Если оно больше, то устанавливают либо более мощный стабилитрон, либо стабилитрон с большим напряжением стабилизации.
Рекомендации
При    продумывании    вопросов   изготовления   и эксплуатации     устройства    сетевого    питания полезно  уделить определенное   внимание  тому, каким образом будет подключаться изготовленный блок питания к радиоприемнику.
Примером изящного технического решения (изготовления муляжа для двух батареек) может служить публикация [7].
Максимальный ток стабилизатора должен быть не больше допускаемого тока через вторичную обмотку реального силового трансформатора. Иначе именно это несоответствие приведет к перегреву обмотки, а следовательно, и к выходу трансформатора из строя. Несложные расчеты по этому вопросу приведены в [1].
Минимальное падение напряжения на переходе Э-К (разница показаний вольтметров РА1 и РАЗ -  рис.8) регулирующего транзистора при максимальном токе нагрузки должно равняться 3...5 В.
Стоит также отметить, что использовать лампы накаливания в качестве нагрузки нежелательно, в связи с тем, что сопротивление вольфрамовой нити накаливания в холодном и горячем состояниях существенно различаются, поэтому подключение такой нагрузки к выходу стабилизатора может быть воспринято его схемой как перегрузка. Лучше использовать нагрузку из резисторов соответствующей мощности.

Литература
1.  Елкин С.А. Модернизация зарядно-питающего устройства//Электрик. - 2008. - №9. - С.78.
2.  Чубинский Н. О транзисторных стабилизаторах с защитой от коротких замыканий//Радио. - 1974.
-  №10. - С.46.
3.  Белоусов О.В. Зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов//Радиоаматор. - 1997.
-  №11. - С.35.
4. Гляубертас В. Двухполосный стереофонический усилитель//Радио. - 1975. - №10. - С.36.
5.    Алешин    П.    Светодиод   в    низковольтном стабилизаторе   напряжения//Радио.        1992. №12. - С.23.
6. Прытков С. Триггерный эффект в стабилизаторах на К142ЕНЗ, К142ЕН4//Радио. - 1991. - №10. -С.35.
7.  Саржа Ю.П. Фишка - палец 2АА//Электрик. -2005. - №4. - С.20.