Преобразователь напряжения для карманного плеера

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Преобразователи напряжения

Опубликовано: 23.03.2017 13:16

Просмотров: 2818

А.Л. Бутов, с. Курба, Ярославской обл. PA11’ 2009
В настоящее время получили широкое распространение миниатюрные мультимедийные устройства с цветным ЖК-экраном, часто для краткости именуемые как «МР-3 плеер». Возможности некоторых моделей таких развлекательных устройств простираются гораздо шире прослушивания музыки, просмотра видео и фотографий. К сожалению, в некоторых моделях Flash-плееров общий провод выхода на головные телефоны имеет потенциал напряжения относительно корпуса или минусового провода питания/ подзарядки, что затрудняет подключение таких устройств к усилительной аппаратуре с сетевым питанием.

Однажды автор приобрел миниатюрный мультимедийный плеер Digma DS2410. Это устройство поддерживает воспроизведение форматов файлов *.avi, *flv, *.mp3, *.wma, *.wav, *.bmp, *.jpg, *.gif, *.txt и некоторых других. Кроме того, на это устройство можно устанавливать различные исполняемые приложения (файлы с расширением .rkp), на месте которых могут быть не только игры, но и, например, программы для радиотехнических расчетов. Поддержка текстовых файлов позволяет читать на этом плеере не только книги, но и несложные табличные справочники, а возможность масштабировать графические изображения позволяет читать принципиальные схемы даже на экране с разрешением 320x240 пикселей.
При эксплуатации плеера Digma DS2410 выявился один существенный недостаток. Дело в том, что этот карманный плеер оснащен встроенным литийионным аккумулятором, заряда которого при просмотре видео или чтения книг хватает на два-три часа непрерывной работы. Поскольку количество циклов заряд/разряд литиевых аккумуляторов относительно невелико, были сделаны попытки питать этот плеер от различных источников напряжения 5 В постоянного тока. При питании плеера от сетевых БП, в наушниках, в паузах звукового сопровождения, был замечен фон переменного тока, который усиливался, если, например, прислониться рукой к стене или к батарее отопления. Иными словами, плеер фонит при наличии малейшей емкостной связи (доли пФ) между источником питания, телом человека и «землей». Второй недостаток выявился при питании плеера от сетевых зарядных устройств с импульсным преобразователем: плеер имеет металлический корпус, при прикосновении к которому при определенных условиях (например, мокрый паркетный или линолеумный пол, деревянный, цементный или металлический пол на производстве) иногда ощущалось легкое неприятное пощипывание электрическим током. Надо заметить, что подобным нежелательным эффектом обладает абсолютное большинство импульсных БП и относительно мощных линейных БП. Если же вместо наушников плеер подключить к любому усилителю мощности с питанием от сети, то фон переменного тока в акустических системах становится в несколько раз больше полезного сигнала. Причина фона - небольшая разность потенциалов относительно «земли» между источниками питания плеера и УМЗЧ, а также в разности потенциалов общего провода выхода на наушники и «минуса» питания.
Чтобы устранить фон переменного тока при подключении плеера к усилителю, можно было бы оснастить усилитель несложным стабилизатором напряжения, с выходным напряжением 5 В, питающемся от отдельной, хорошо изолированной от других, обмотки силового трансформатора, но это бы не решило других проблем, ктомуже, пришлось бы дорабатывать все усилители, с которыми предполагалась работа карманного плеера, что экономически бессмысленно. При непосредственном соединении общего провода усилителя и «минуса» плеера, плеер «зависает». Чтобы устранить фон переменного тока при питании плеера от БП, а также устранить сбои в работе программного обеспечения плеера и повысить безопасность его использования, был разработан несложный транзисторный преобразователь постоянного напряжения, принципиальная схема которого показана на рис.1.

Устройство представляет собой преобразователь постоянного стабилизированного или нестабилизированного напряжения в постоянное стабилизированное, в котором используется импульсный трансформатор с малой межобмоточной емкостью. Преобразователь работоспособен при входном напряжении от 3 до 18 В. Максимальный токподключаемой нагрузки 520 мА при входном напряжении от 7 В или 260 мА при входном напряжении 5 В. При изменении напряжения питания от 5 до 18 В выходное напряжение изменяется от 5,0 до 5,3 В. При колебании тока нагрузки выходное напряжение практически не изменяется. При отключенной нагрузке преобразователь потребляет от источника энергии ток около 10 мА при входном напряжении 5 В. Номинальное напряжение питания преобразователя при просмотре видеофайлов 9... 12 В. Плеер Digma DS2410 потребляет от внешнего источника питания ток около 50 мА при воспроизведении музыки или около 150 мА при воспроизведении видео или во время игр. При разряженной аккумуляторной батарее потребляемый плеером ток кратковременно будет около 300 мА.
Перечисленные параметры означают то, что преобразователь напряжения - электронный трансформатор, собранный по схеме рис, 1, можно подключать к USB порту компьютера, а также то, что для питания плеера можно использовать различные миниатюрные зарядные устройства от сотовых телефонов, других мультимедийных устройств, которые обеспечивают «честные» 500 мА при выходном напряжении 5 В и малой амплитуде пульсаций выходного напряжения или бортовое напряжение автомобиля +12 В. Разумеется, что и обычные лабораторные блоки питания и «сетевые адаптеры» могут быть с успехом использованы для питания плеера и зарядки его аккумуляторной батареи.
Двухтактный преобразователь напряжения выполнен на составных транзисторах VT1, VT3 типа 2SD2010, в составе которых есть защитные диод и стабилитрон. В зависимости от различных условий частота преобразователя изменяется от 10 до 90 кГц. При увеличении входного напряжения и неизменном токе нагрузки потребляемый преобразователем ток снижается. Узел стабилизатора выходного напряжения выполнен на транзисторах VT2, VT4, стабилитроне VD8 и оптроне U1. При увеличении входного напряжения или уменьшении тока нагрузки выходное напряжение стремится увеличиться, что приводит к увеличению тока через светодиод оптрона U1. В результате этого увеличивается ток через фототранзистор оптрона, что ведет к открытию транзисторов VT2, VT4, которые шунтируют переходы база-эмиттер VT1, VT3, выходное напряжение понижается.
Чтобы увеличить КПД и немного расширить диапазон напряжений питания преобразователя, в выпрямителе VD4-VD7 используются диоды Шотки. Дроссель L1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, размах которых при токе нагрузке 260 мА не превышает 10 мВ. Цепочки VD2R1, VD3R6 предотвращают трудно диагностируемый пробой перехода база-эмиттер слаботочного транзистора в составных транзисторах, а также увеличивают КПД преобразователя. Конденсатор С9 устраняет самовозбуждение узла стабилизации при входном напряжении питания более 10В. Демпферные конденсаторы С5, С6 примерно на 20% увеличивают КПД преобразователя, что также уменьшает нагрев транзисторов VT1, VT3. Диод VD1 предотвращает повреждение транзисторов VT1, VT3 при переполюсовке напряжения питания. Цепочка R7C7 - фильтр напряжения питания узла стабилизации. Размах амплитуды напряжения на выводах коллекторов составных транзисторов достигает 40 В при напряжении питания 16 В при токе нагрузки 260 мА. При отключенной нагрузке и большом входном напряжении питания рост амплитуды напряжения на VT1, VT3 ограничивается встроенными вних стабилитронами на уровне 62...65 В, что предотвращает пробой транзисторов преобразователя. Светодиод HL1 сигнализирует о наличии напряжения на выходе преобразователя. При коротком замыкании в цепи нагрузки генерация преобразователя напряжения срывается, что позволяет обойтись без узла защиты от перегрузки.
При питании карманного плеера от этого преобразователя, когда плеер подключен к мощному усилителю звуковой частоты, фон переменного тока исчезает полностью, если преобразователь подключен к маломощному блоку питания с силовым трансформатором, работающем на частоте сети 50 Гц, или значительно снижается, если преобразователь получает напряжение питания от импульсного блока питания. При прослушивании плеера через наушники, фон переменного тока исчезает полностью при питании плеера через преобразователь от любого внешнего источника напряжения, а также полностью устраняется «пощипывание» электрическим током при прикосновении к корпусу плеера и улучшается качество приема плеером УКВ радиостанций.
Вид на монтаж преобразователя показан на фото.
Описанное устройство - электронный трансформатор с малой межобмоточной емкостью также может быть использован для питания цифровых мультиметров с ЖКИ, для чего надо установить стабилитрон VD8 на большее напряжение стабилизации, например, типа КС182Ц, 1N4738A. Если установить переключатель, то можно настроить преобразователь на два выходных напряжения, например, 5 В для питания плеера и 9 В для питания мультиметра. При эксплуатации плеера необходимо учитывать, что если в его гнездо питания воткнуть никуда не подключенный кусок кабеля длиной около 4 м; например удлинитель USB, то фон переменного тока также можно услышать. При подключении к выходу плеера Digma DS2410 нагрузки емкостью более 100 пф, плеер самовозбуждается на высокой частоте, что может привести к повреждению как нагрузки, так и плеера. Это ограничивает использование плеера как источника тестовых сигналов без дополнительных приспособлений.
Конструкция и детали
Для сборки был применен быстрый навесной монтаж с помощью выводов деталей и тонкого монтажного провода диаметром 0,3 мм в ПВХ изоляции. Преобразователь напряжения был изготовлен на плате размерами 85x35 мм. Самая ответственная деталь преобразователя - импульсный трансформатор Т1. Он намотан на кольце из феррита М2000НМ1-Б размерами 16x10х 4 мм. Перед намоткой обмоток кольцо обматывают 6 слоями липкой ленты «скотч». Чтобы обмотка была равномерной, каждый слой наматывают липкой лентой другого цвета. Обмотка I содержит 40 витков сложенного вдвое провода ПЭВ-2 диаметром 0,27 мм, намотанных на одной половине кольца. Конец одной половины обмотки соединяют с началом другой. Поверх первичной обмотки наматывают обмотку II - 9 витков сложенного вдвое провода ПЭЛШО-0,1. Конец одной половины обмотки соединяют с началом другой. На второй половине кольца наматывают обмотку III - 68 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм. Расстояние между обмотками I и III должно быть не менее 2 мм. Такая конструкция импульсного трансформатора снижает КПД устройства, что в данном случае непринципиально, незначительно снижает паразитную емкость между обмотками. После укладки обмоток трансформатор тщательно пропитывают трансформаторным лаком или компаундом. Можно использовать и цапонлак. VT1, VT3 желательно использовать указанного на схеме типа. При невозможности применить составные транзисторы 2SD2010, можно попробовать использовать отечественные из серии КТ972 с буквенными индексами А, В, Г Если при входном напряжении 5 В и токе нагрузки 260 мА (лампа накаливания, резистор) преобразователь будет уверенно запускаться, выходное напряжение будет не менее 4,9 В, а ток потребления преобразователя не превысит 400 мА, то замену можно будет считать удачной. В противном случае потребуется подобрать сопротивление резисторов R2, R5 и емкость конденсаторов С5, С6. Если при длительной работе транзисторы VT1, VT3 будут нагреваться до температуры более 70°С, то к их корпусам желательно прикрепить небольшие дюралюминиевые или медные теплоотводы с площадью охлаждающей поверхности 4...6 см2. Транзисторы 2SC3330 могут быть заменены любыми n-р-n кремниевыми маломощными, например, SS9014, КТ315, КТ3102 с любым буквенным индексом. Вместо оптрона типа АОТ128А подойдет любой аналогичный транзисторный, как с составным фототранзистором, так и с обычным, например АОТ127А, импортные РС111, РС817 с учетом различий в типе корпуса и цоколевке. Диод 1N4003 можно заменить любым из серий 1 N4001-1 N4007, КД243, КД212. Вместо диодов 1 N4148 для замены подойдут любые из серий КД521, КД522. Диоды Шотки выпрямительного моста VD4-VD7 можно заменить 1N5818, SB10-05A2, SB10-04A3, SB16-04LHR Использование более мощных диодов Шотки, например, SR360, 1 N5822 повысит КПД устройства. Стабилитрон 1N4748A можно заменить любым маломощным с напряжением стабилизации 3,8...4,3 В, например, 1 N4731 А, BZX/BZV55C-4V3, 2С143Д1, 2С139Д1, 2С414А. Оксидные конденсаторы К50-35, К53-19 или импортные аналоги. Конденсаторы С5, С6 - пленочные нарабочее напряжение не менее 100 В. Остальные конденсаторы керамические К10-17, К10-50 в том числе и для поверхностного монтажа. Резисторы типа С1-14, С1 -4, С2-23, МЛТ или импортные аналоги. Светодиод DB5b-448ABD - суперъяркий синего цвета свечения. При токе около 1 мА его яркости достаточно для поиска плеера в полной темноте, чтобы осветить ночной столик. Вместо такого светодиода можно применить любой аналогичный, например, белого цвета свечения RL50-WH744D. Дроссель L1 содержит 12 витков монтажного провода, намотанных на кольце из пермаллоя размерами 12х7х
4 мм. Конструкция этого дросселя не критична.
Налаживание преобразователя напряжения сводится к установке выходного напряжения в пределах 5,0...5,3 В с помощью подбора экземпляра стабилитрона VD8. С указанным на схеме типом оптрона предпочтительнее использование стабилитрона VD8 на 3,9...4,0 В при токе 0,5... 1 мА. Резистором R12 можно подогнать выходное напряжение более тонко, чем меньше его сопротивление, тем выше выходное напряжение. Если преобразователь напряжения не возбуждается, нужно поменять местами выводы обмотки II, II’, подключенные к резисторам R3, R9. Для подключения преобразователя напряжения к источнику тока и нагрузке удобно использовать разрезанный на половинки USB удлинитель. Не следует делать соединительные шнуры питания излишне длинными, поскольку, например, при подключении к компьютеру имеющегося у автора USB удлинителя длиной 4,2 м при токе 400 мА падение напряжения на нем достигло 1 В. Для подключения преобразователя к лабораторным блокам питания, сетевым адаптерам, устройство также желательно оснастить стандартным разъемом под штекер питания диаметром 5 мм.