Сетевые источники питания

Нажатием кнопки SB3 показания частоты умножают на 1000. Это сделано для удобства считывания показаний при использовании внешнего делителя на 1000 [1, 2]. Коэффициент умножения ("х1" или "х1000") отображается в середине нижней строки.

Чтобы удержать (зафиксировать) показания, нажимают кнопку SB4 ("Память"). При этом на ЖКИ остается значение той частоты, которое было в момент нажатия кнопки. Его можно сохранить в энергонезависимой памяти микроконтроллера, воспользовавшись кнопкой SB2, функция которой в этом случае -- "Запомнить" (рис. 3.2, в). Прежнее значение при этом теряется. Если необходимо считать частоту из памяти, нажимают на SB3 (ее новая функция -- "Считать"). Для выхода из режима работы с памятью используют кнопку SB4 (новая функция -- "Выход"). В режиме работы с памятью частотомер автоматически выключается примерно через 3 мин после нажатия на любую кнопку независимо от показаний индикатора. После выключения питания в энергонезависимой памяти сохраняются последние параметры измерения (время измерения и множитель).

В качестве VT1, VT2 в приборе можно применить любые транзисторы указанных на схеме серий. Стабилизатор КР1157ЕН502А заменим на 78L05, LM2931Z (при использовании последнего нижняя граница напряжения питания снизится до 5,5 В, а потребляемый ток уменьшится на 2 мА).

ЖКИ должен иметь встроенный контроллер с системой команд, совместимой с командами контроллера HD44780, и русские символы в таблице знакогенератора (практически все знакосинтезирующие ЖКИ удовлетворяют этому условию). Пригодны, например, индикаторы DV-16210, DV-16230, DV-16236, DV-16244, DV-16252 (DataVision), ITM-1602 (Intech), PC-1602 (PowerTip).

Калибруют частотомер по образцовому генератору с помощью подстроечного конденсатора С10. Подбором резистора R5 добиваются максимальной чувствительности прибора по напряжению. Контрастность выводимых показаний индикатора регулируют подбором резистора R11. Если функции автоматического .выключения питания и управления питанием одной кнопкой не нужны, прибор можно упростить, исключив транзисторы VT1, VT2, диод VD1, резисторы R1, R3, R4, R7, R8, R10 и кнопку SB1. Вывод 6 микроконтроллера в этом случае соединяют с общим проводом, а напряжение питания подают непосредственно на вход DA1. Изображение готового устройства приведено в Приложении 1. [2]

4. Микрофонные усилители

4.1 Микрофонный усилитель с симметричной связью

Микрофонный усилитель - еще одна область применения микросхем, где важен малый уровень собственных шумов. Такой усилитель должен иметь, как правило, линейную АЧХ в номинальном диапазоне частот и обладать достаточно высокой перегрузочной способностью

Для борьбы с фоном переменного тока сетевой частоты, наводимым на соединительные кабели, в высококачественных микрофонных усилителях используют симметричный вход, реализуемый, как правило, на сложных в изготовлении и требующих тщательного экранирования от внешних магнитных полей симметрирующих трансформаторах. На рисунке 4.1.1. показана схема микрофонного усилителя, позволяющая обойтись без такого нетехнологичного элемента, как трансформатор.

Рис 4.1.1. Микрофонный усилитель с симметричным входом

Основой устройства служит дифференциальный усилитель на ОУ DA1.1 и DA1.2. Его коэффициент усиления Ку=1+(R8+R9)/Rэ (Rэ - эквивалентное сопротивление соединенных последовательно резисторов R6 и введенной в цепь части резистора R5) и может регулироваться в пределах от 1,5 до 140 резистором R5. Усиленный сигнал через разделительные конденсаторы С5 и С6 поступает на симметричный Выход 1, а через второй дифференциальный усилитель (ОУ DA2) - на несимметричный Выход 2.

Так как современные ОУ обладают почти идеальным (более 70 дБ) подавлением синфазного сигнала, помехозащищенность усилителя определяется практически лишь согласованностью сопротивлений резисторов R3 и R4, R8 и R9, R11 и R12. R13 и R14 и, если они не отличаются от указанных на схеме более чем на 1 %, не уступает помехозащищенности лучших устройств с трансформаторным входом.

Входное сопротивление усилителя - 10 кОм. Питают его от двуполярного стабилизированного источника напряжением ±10 В.

В данном усилителе можно использовать отечественные ОУ К157УД2, КР1407УДЗ и (при снижении напряжения литания до ±.6 В) КФ1407УД4 [3]

4.2 Двухкаскадный микрофонный усилитель

Размещение микрофонного усилителя в непосредственной близости от микрофона резко -- ослабляет требования к экранировке соединительных проводов и улучшает отношение сигнал/фон. Однако при этом возникает новая проблема, связанная с питанием микрофонного усилителя: встроенная батарея требует частой замены, а использовать дополнительный провод питания не всегда удобно.

На рисунке 4.2.1. приведена схема двухкаскадного микрофонного усилителя питание которого осуществляется по сигнальному проводу. В основной усилитель при этом нужно добавить лишь один резистор R4, служащий нагрузкой микрофонного усилителя, и разделительный конденсатор С2. Смещение на базе транзистора Т1 и температурную стабилизацию всего усилителя обеспечивает делитель R2R3 в цепи эмиттера транзистора Т2. Второй каскад усилителя охвачен отрицательной обратной связью через резистор RI, являющийся одновременно нагрузкой первого каскада.

Рис. 4.2.1. Двухкаскадный микрофонный усилитель

Обратная связь снижает нелинейные искажения до пренебрежимо малой величины и уменьшает выходное сопротивление усилителя до стандартного значения 600 Ом.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя в области низших звуковых частот определяется емкостями конденсаторов С1 и С2. Емкость конденсатора С2 рассчитывается по формуле: С2=160/(fнRвх), мкф, где fн - низшая рабочая частота усилителя, Гц; Rвх - входное сопротивление основного усилителя, кОм. При емкости конденсатора С1, указанной на схеме, низшая рабочая частота равна 16 Гц.

Коэффициент усиления микрофонного усилителя получается порядка 150-250 и зависит от значений коэффициента Вст примененных транзисторов и от напряжения питания. Усилитель хорошо работает с низкоомными динамическими микрофонами, имеющими сопротивление постоянному току 100-600 Ом. В нем можно использовать любые низкочастотные транзисторы.

Налаживание микрофонного усилителя сводится к проверке коллекторного напряжения транзистора Т2, оно должно быть равно половине напряжения питания. Если необходимо, в небольших пределах подбирают сопротивление резистора R3, определяющего ток второго каскада усилителя. При использовании усилителя для телефонной связи или речевого репортажа емкость конденсатора С1 целесообразно уменьшить до 0,5- 1 мкф, что вызовет завал низших звуковых частот соответственно до 320 и 160 Гц. [3]

4.3 Микрофонный усилитель с глубокой АРУ

Схема микрофонного усилителя отличается от аналогичных, опубликованных в литературе, малыми габаритами и глубокой автоматической регулировкой усиления (АРУ). Это позволяет использовать ее в составе радиостанции или кассетного магнитофона. Все устройство выполнено на одной микросхеме, имеющей в своем корпусе четыре универсальных операционных усилителя. (рис 4.3.1.)

Рис. 4.3.1. Микрофонный усилитель с глубокой АРУ.

На элементе микросхемы DA1.1 собран неинвертирующий предварительный усилитель сигнала с микрофона. Это необходимо для эффективной работы автоматической регулировки усиления и снижения уровня шумов. Регулировка коэффициента передачи сигнала между каскадами осуществляется за счет изменения внутреннего сопротивления открытого транзистора VT1, включенного в делитель напряжения, образованный совместно с резистором R5. В исходном состоянии (при низком уровне входного сигнала) VT1 заперт и на прохождение сигнала влияния не оказывает.

Второй каскад усилителя собран на элементе DA1.2. Полоса усиливаемых частот от 50 Гц до 50 кГц. Номинальное выходное напряжение 200 мВ. Элемент DA1.3 является повторителем сигнала, что улучшает согласование схемы с нагрузкой.

Для работы системы АРУ используется усилитель на DA1.3 и детектор уровня сигнала на транзисторах VT2, VT3. Время восстановления схемы (инерционность) задается конденсатором С12. При изменении входного напряжения на 50 дБ -- выходное меняется не более чем в 2 раза. В схеме применены полярные конденсаторы типа К50-16, остальные К10-17; резисторы МЛТ.

При правильной сборке схема будет работать сразу, но элементы, отмеченные звездочкой "*", могут потребовать подбора. Так, изменением величины резистора R10 необходимо добиться в точке делителя, указанной на схеме, напряжения 1,15 В. Это напряжение подается на входы усилителей и обеспечивает начальное смещение для работы микросхем на линейном участке характеристики. В этом случае, при перегрузке, ограничение сигнала будет симметричным. От номиналов резисторов R3 и R7 зависит коэффициент усиления каскадов.[3]

5. Расчет блока питания

Подавляющее большинство радиолюбительских конструкций получает питание от электросети через блок питания. Он обычно содержит сетевой трансформатор, диодный выпрямитель и оксидный сглаживающий конденсатор большой емкости. К вспомогательным, но нужным устройствам относятся выключатель, предохранитель и индикатор включения -- миниатюрная лампа накаливания, с номинальным напряжением, несколько большим напряжения вторичной обмотки трансформатора (лампы, горящие с недокалом, гораздо дольше служат).

Стабилизатор напряжения, если он имеется, включается между выходом выпрямителя и нагрузкой. Напряжение на его выходе, как правило, меньше Uвых, и на стабилизаторе тратится заметная мощность.

5.1 Расчет трансформатора

Силовой трансформатор обычно состоит из двух или более обмоток, намотанных на общем железном сердечнике. Одна обмотка - сетевая (первичная), на неё подается переменное напряжение из сетевой розетки. Это напряжение переменное, поэтому, магнитное поле, создаваемое этой обмоткой в сердечнике все время меняется и пронизывает витки вторичной обмотки (или вторичных обмоток, если их несколько).

Номинальная мощность (Р) - сумма мощностей вторичных обмоток трансформатора, в которой мощность каждой обмотки определяется как произведения номинального выходного тока обмотки на номинальное напряжение. Например, номинальный выходной ток 2А, а, при таком токе, номинальное напряжение на концах обмотки 10 V. Таким образом, номинальная мощность будет 2А* 10V = 20W.

Коэффициент трансформации (N) - соотношение входного напряжения и выходного, численно равное соотношению числа витков первичной (сетевой) обмотки к числу витков вторичной. Например, есть трансформатор, у которого на первичную обмотку подается 220V, при этом на вторичной будет 11 V. Коэффициент трансформации будет равен отношению 220 /11 = 20.

И так, допустим нужен трансформатор, на первичную обмотку которого подается переменное напряжение 220V, при этом на вторичной обмотке должно быть напряжение 11V, а номинальный ток на выходе должен быть 1 А. Значит, мощность на нагрузке вторичной обмотки будет Р=11V * 1А=11W. Определим коэффициент трансформации : N=220/11=20. Определим мощность трансформатора:

на всякий случай возьмем Ра побольше, - 13W.

Большинство трансформаторов имеют Ш-образные сердечники (рис. 5.1.1.).

Рассчитаем площадь сечения такого сердечника:

.

Таким образом, площадь сечения Ш-образного сердечника для нашего трансформатора должна быть 4,3 квадратных сантиметра. Далее, нужно рассчитать необходимое число витков (Н) на 1V напряжения:

Итак, на 1 V напряжения требуется 10,5 витков. Теперь определим сколько витков нужно намотать в первичной (сетевой) обмотке : 220V * 10,5 = 2310 витков.

Во вторичной обмотке: 11V * 10,5 = 115,5 витков.

Следующее, что мы должны узнать, - это диаметр провода для намотки обмоток. Ток во вторичной обмотке (I2) мы знаем - 1А, мы его задали в самом начале, Так, что, диаметр провода для вторичной обмотки (D2) берем по формуле:

.

Таким образом, диаметр провода для вторичной обмотки должен быть около 0,8 мм.

Теперь нужно рассчитать диаметр провода для первичной обмотки, но для этого нужно сначала найти ток I1 через неё. Для этого нужно знать мощность (Ра) и напряжение. Напряжение (U) нам известно - 220V, а мощность мы определили - 13 W.

I1=P/U = 13/220 = 0,059A.

Это дает нам определить диаметр провода для первичной обмотки (D1):

Кроме приведенных формул, диаметр провода можно определить по графику (рис 5.1.2.), исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2..3 А/мм2

Рис 5.1.2.

В итоге для нашего трансформатора нам нужен Ш-образный сердечник сечением не менее 4,3 см2. Еще нужен намоточный провод, например, ПЭВ, диаметром 0,19-0,2 для сетевой обмотки и 0,76-0,9 для вторичной. [4,7]

5.2 Расчет выпрямителя

После трансформатора в сетевом источнике питания, обычно, следует выпрямитель. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора в постоянное напряжение. Выпрямители делаются на диодах, используется свойство диода пропускать ток только в одном направлении. Существует несколько видов выпрямителей -однополупериодные, двухполупериодные с выводом средней точки, мостовые, с удвоением напряжения. Поскольку выпрямитель построен на диодах, которые пропускают ток только в одном направлении, то на его выходе получается не постоянное, а пульсирующее напряжение, чтобы сделать его постоянным на выходе выпрямителя включают электролитический конденсатор. Во время полуволн пульсаций на конденсаторе накапливается напряжение, а в промежутках между ними (когда синусоида сетевого напряжения проходит через нуль) конденсатор отдает энергию в нагрузку. Таким образом он сглаживает пульсации и на нем получается уже постоянное напряжение, а не пульсирующее.

Схема однополупериодного выпрямителя показана на рисунке 5.2.1.

Это просто диод, через который переменное напряжение от трансформатора поступает на конденсатор Положительные полуволны проходят через диод на выпрямитель, а отрицательные не проходят таким образом, положительные полуволны поддерживают конденсатор заряженным, а напряжение с конденсатора поступает в нагрузку.

Рис. 5.2.1. Однополупериодный конденсатор

Достоинство такого выпрямителя в минимальном числе деталей. Недостаток в низкой частоте пульсаций, и как следствие, для сглаживания пульсаций требуется конденсатор большей емкости.

Такие выпрямители применяются, когда не требуется низкий уровень пульсаций. Обычно для питания устройств потребляющих небольшой ток или сильноточных схем, в которых уровень пульсаций большого значения не имеет. Следует заметить, что при питании номинальной нагрузки, выходное постоянное напряжение будет ниже входного переменного.

В данном типе выпрямителей зарядка конденсатора происходит тогда, когда диод открывается, то есть на положительных полуволнах переменного напряжения. На отрицательных полуволнах конденсатор разряжается только через нагрузку, потому что диод на отрицательных полуволнах закрыт. Вот и получается, что на холостом ходу, когда нет нагрузки, то есть, разрядной цепи, напряжение на конденсаторе может достигнуть амплитудного значения переменного напряжения (то есть, быть даже больше действующего переменного напряжения). С подключением нагрузки это напряжение будет снижаться. И степень этого снижения будет зависеть от тока протекающего через нагрузку, то есть, разрядного тока, а так же, и от емкости конденсатора и множества других факторов (сопротивления вторичной обмотки трансформатора или внутреннего сопротивления источника переменного напряжения, прямого и обратного сопротивления диода, тока утечки конденсатора и т.д.).

Этот недостаток, свойственный практически всем выпрямителям. Недостаток устраняется, обычно, установкой конденсатора большей емкости или при помощи стабилизаторов.

На основе однополупериодного выпрямителя несложно сделать двуполярный источник питания (рис. 5.2.2), например, для питания схемы на операционном усилителе. Здесь два выпрямителя, диод одного пропускает только положительные полуволны, диод второго- только отрицательные.

Рис 5.2.2. Однополупериодный выпрямитель

В результате, на конденсаторе получаются равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения.

Точно такую же схему имеет и выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 5.2.3.). Только нулевая точка не подключена. Выпрямитель с удвоением выгоден, если нужно получить напряжение побольше, чем может обеспечить имеющийся трансформатор. Фактически, он выдает напряжение в 2 раза превышающее напряжение выпрямителя напряжения, показанного на рис. 5.2.1.

Рис. 5.2.3. Выпрямитель с удвоением

Двухполупериодная схема (рис. 5.2.4.) характеризуется повышенной частотой пульсаций, потому что на диоды подаются напряжения с разных противоположных концов обмотки. Поэтому частота пульсация удваивается (получается не 50Гц, а 100Гц). Это выгодно в том смысле, что для получения такого же сглаживания пульсаций как в однополупериодном выпрямителе требуется меньшая емкость конденсатора.

Вообще, это нужно учитывать в дальнейшем, потому что, чем выше частота выпрямленного переменного тока, тем меньше может быть емкость сглаживающего конденсатора.

Рис. 5.2.4. Двухполупериодная схема выпрямителя

Недостаток двухполупериодной схемы в том, что необходим трансформатор, у которого есть отвод от середины вторичной обмотки, и число витков (суммарное) вторичной обмотки получается в два раза больше.

Мостовая схема (рис. 5.2.5.) - самая популярная схема выпрямителя, она отличается тем, что обеспечивает удвоенную частоту пульсация при работе от обмотки без отводов, имеющей число витков такое же, как в схеме однополупериодного выпрямителя. То есть те же преимущества, что и в двухполупериодной схеме, но для этого удваивать число витков вторичной обмотки трансформатора и делать от нее отводы не нужно.

Теперь рассчитаем выпрямитель (рис. 5.2.5). Допустимый прямой средний ток диодов в мостовой схеме должен быть не менее 0,5Iвых, практически выбирают (для надежности) диоды с большим прямым током.

Рис. 5.2.5. Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме

Допустимое обратное напряжение не должно быть меньше 0,71UII, + 0,5Uвых, но поскольку на холостом ходу Uвых достигает 1,41UII, обратное напряжение диодов целесообразно выбирать не меньше этой величины, т. е. амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке. Полезно учесть еще и возможные колебания напряжения сети.

Амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения в вольтах можно оценить по упрощенной формуле: Uпульс = 5 Iвых/С- выходной ток подставляется в амперах, емкость конденсатора С1 -- в микрофарадах.[5,7]

5.3 Расчет стабилизатора

Среди полупроводниковых стабилизаторов напряжения существует две основные группы - параметрические стабилизаторы и компенсационные.

Наиболее просты параметрические стабилизаторы. Их принцип действия основан на использовании особых диодов - стабилитронов, или других каких-то полупроводниковых элементов, которые имеют такую вольт-амперную характеристику (ВАХ), что при пропускании через них тока или прикладыванию к ним напряжения на этих элементах поддерживается определенное стабильное напряжение падения. Поэтому такие стабилизаторы и называются параметрическими, - потому что их работа зависит от определенного параметра стабилитрона или другого элемента.

Яркий пример - стабилитрон. Это диод, имеющий ВАХ показанную на рис. 5.3.1. Как видно, в отличие от обычного диода ВАХ стабилитрона имеет отрицательную ветвь, характеризующую резкое нарастание обратного тока при достижении обратным напряжением

Фактически, это обратимый пробой диода, не взывающий повреждения кристалла (но только в том случае, если не будет превышен максимально допустимый обратный ток).

Рис. 5.3.1. ВАХ стабилитрона определенного значения (напряжения стабилизации).

Кроме напряжения стабилизации (Ucт) при котором наступает обратимый пробой стабилитрона, есть еще два параметра - Iст(мин) -минимальный обратный ток, при котором возникает устойчивый пробой и Uст(макс) -максимальный обратный ток, при превышении которого происходит повреждение стабилитрона. Таким образом, имеется рабочий стабильный участок обратного тока от Iст(мин) до Iст(макс), в пределах которого изменение обратного тока через стабилитрон не приводит к изменению на падающего на нем напряжения.

Согласно закону Ома изменяется сопротивление стабилитрона: Сила тока возрастает, а сопротивление уменьшается на столько, чтобы напряжение на стабилитроне оставалось на уровне напряжения стабилизации.

Простейший параметрический стабилизатор можно собрать по схеме, показанной на рис. 5.3.2. Сопротивление стабилитрона VD1 и резистора R1 образуют делитель напряжение, a R1, кроме того, ограничивает и ток через стабилитрон. Если входное напряжение (Uвx) ниже Uст (напряжения стабилизации стабилитрона) сопротивление VD1 очень велико (как у любого диода, включенного в обратном направлении) и он не влияет на выходное напряжение. Если Uвx превышает Ucт возникает обратимый пробой стабилитрона и его обратное сопротивление изменяется так, что напряжение на VD1 остается стабильным и равным Ucт при значительном изменении входного напряжения (при условии, что Uвx всегда больше чем Ucт).

На рисунке 5.3.4. показана одна из возможных схем сетевого источника с таким стабилизатором. Недостатком

Рис. 5.3.4. данной схемы является то, что из-за резистора R1 стабилизатор имеет значительное выходное сопротивление и, как следствие, очень небольшой выходной ток, который обязательно должен быть значительно меньше тока, протекающего через стабилитрон. Дело в том, что если ток через нагрузку будет высок, то сопротивление нагрузки просто зашунтирует стабилитрон и совместно с резистором R1 образует делитель напряжения, на параметры которого стабилитрон будет оказывать лишь минимальное влияние.

Устранить недостаток большого выходного сопротивления можно, если дополнить схему простым усилителем тока на транзисторе (рис. 5.3.5). Транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, а это значит, что напряжение на его эмиттере будет равно напряжению на его базе. На базу транзистора подаем напряжение со стабилитрона, а нагрузку подключаем в его эмиттерную цепь. Теперь, ток нагрузки уже не сможет оказывать существенного влияния на напряжение на стабилитроне. Нагрузка может быть достаточно мощной (зависит от мощности транзистора и его коэф-

Рис. 5.3.5. фициента усиления по току). Теперь напряжение на нагрузку подается с другого делителя, состоящего из сопротивления эмиттер-коллектор транзистора и сопротивления самой нагрузки. Ток в нагрузке увеличивается, - сопротивление Э-К VT1 уменьшается, так чтобы напряжение на нагрузке осталось таким же, как напряжение на стабилитроне.

Следуя этой схеме можно очень просто сделать регулируемый стабилизатор (рис.5.3.6).

Просто напряжение на базу транзистора подается не прямо со стабилитрона а через потенциометр R2. Поворачивая вал переменного резистора R2 можно

Рис. 5.3.6. изменять напряжение на базе транзистора. Соответственно будет изменяться напряжение и на его эмиттере. Для того, чтобы получить лучшую стабильность выходного напряжения и его меньшую зависимость от выходного тока нужно повысить коэффициент усиления по току транзисторного усилителя тока. Это можно сделать применив схему усилителя на двух транзисторах, включенных по схеме составного транзистора.

Расчет стабилизатора, показанного на рис 5.3.6., необходимо начинать с выбора транзистора VT1 и стабилитрона VD1, исходя из требуемого напряжения и тока нагрузки. Ток базы транзистора составит: Iб = Iвых / h21Э, где h21Э -- статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером. Затем оценивается минимальное напряжение на выходе выпрямителя Uвых - Uпульс - оно должно быть на 2...3 В больше требуемого напряжения на нагрузке даже при минимально допустимом напряжении сети. [6,7]

Список литературы

1. Микроконтроллеры PIC16F84. Документация // материал сайта: http://pic16f84.narod.ru/index.htm

2. А. Шарыпов, Экономичный многофункциональный частотомер,//журнал «Радио», 2002, №10, с.26.

3. Н.Большаков, Audio техника // материал сайта: http://radio-fanat.ru

4. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №4, с.42

5. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания. Расчет выпрямителя, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №5, с.44

6. В.В.Алексеев, Сетевые источники питания. Расчет стабилизатора, //журнал «Радио-конструктор», 2004 , №6,8, с.42

7. В. Поляков, Расчет блоков питания, //журнал «Радио», 2003, №5, с.51.