БЛОКИ ПИТАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Цифровые устройства, собираемые радиолюбителями на микросхе­мах серии KJ55, требуют напряжения питания 5 В при токах от долей ампера до единиц ампер. Блоки питания таких устройств обычно собирают по тра« диционной схеме трансформатор — диодный мост — емкостный фильтр — стаби­лизатор. Схема одного из вариантов блока питания, пригодного для всех они» санных выше устройств на ИС серии КД55, приведена на рис. 87.

Рис. 87. Схема блока питания с низкочастотным трансформатором

Трансформатор 77 намотан на магнитопроводе ШЛ16Х25, обмотка I со­держит 1900 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,15 мм, II — 90 витков ПЭВ-2 диаметром 0,64 мм, III — 270 витков ПЭВ-1 диаметром 0,15 мм, IV — 22 вит­ка того же провода, V — 2000 витков провода 0,1 мм. Естественно, что нужно намотать лишь необходимые для питания данного устройства обмотки. Тран­зистор VT7 необходимо установить на радиатор.

При наличии микросхемы К142ЕН1 с любым буквенным индексом стаби­лизатор можно собрать по схеме рис. 72.

Блоки питания с низкочастотным трансформатором имеют значительные габариты и массу, нередко существенно превосходящие габариты и массу са­мих устройств.

Использование высоковольтных транзисторов серий КТ604, КТ605, КТ704, КТ809, КТ824 позволяет строить блоки питания с преобразованием напряже­ния на высокой частоте, имеющие меньшие массу и габариты, чем собранные по традиционной схеме.

Такие блоки питания строятся по схеме выпрямитель напряжения сети — емкостный фильтр — преобразователь постоянного напряжения в перемен­ное с частотой 20 — 40 кГц с понижающим трансформатором на ферритовом кольцевом магнитопроводе выпрямитель — фильтр и, при необходимости, ста­билизатор.

Ниже описаны два блока питания цифровых устройств. Первый из них обеспечивает выходное нестабилизированное напряжение около 5 В при токе нагрузки до 0,8 А и предназначен для питания, электронных часов и цифро­вого таймера. Второй обеспечивает стабилизированные напряжения +5 В 1 А, + 12,6 В и — 12,6 В 100 мА и нестабилизированное напряжение +2О0 В 10 мА и может быть использован для питания цифрового частотомера или мультиметра.

Рис. 88. Полумостовой пре­образователь

В основе обоих блоков питания лежит так называемый полумостовой пре­образователь напряжения (рис. 88). Первичная обмотка трансформатора преобразователя включена в диагональ моста, образо­ванного двумя последовательно включенными тран­зисторами и двумя конденсаторами. В отличие от обычно используемой в преобразователях с низким входным напряжением схеме, в которой полное вход­ное напряжение поочередно подается к двум поло­винам первичной обмотки, в полумостовом преобра­зователе ко всей первичной обмотке прикладывается половина напряжения питания, в результате чего чи­сло витков первичной обмотки можно сделать в 4 раза меньшим. Более важным преимуществом полу-мостового преобразователя перед упомянутой схемой является вдвое меньшее напряжение, прикладываемое к транзисторам. Это напряжение в полумостовом преобразователе равно напряжению питания (около 300 В при напряжении се­ти 220 В), тогда как в обычно используемой схеме — удвоенному напряжению питания.

В преобразователях напряжения мощностью в сотни ватт используются также мостовые схемы, в которых первичная обмотка трансформатора вклю­чена в диагональ моста из четырех транзисторов, но такие преобразователи заметно сложнее полумостовых.

Рассмотрим схему первого блока питания (рис. 89). Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD1, пульсации сглаживаются конденсатором СЗ. Мост преобразователя образован конденсаторами С4, С5 и транзисторами VT6 — VT9. Для обеспечения необходимой выходной мощности в каждое плечо включено параллельно по два транзистора типа КТ605А.

Рис. 89. Схема блока питания для таймера или электронных часов

Преобразователь имеет специальную цепь запуска, собранную на транзи­сторе VT10 и элементах С12, R8 — R10. Транзистор VT10 типа КТ315Б рабо­тает в лавинном режиме. После включения питания конденсатор С12 заря­жается через резистор R8. Когда напряжение на коллекторе VT10 достигает 40 — 60 В, он лавинообразно включается и конденсатор С12 разряжается. Ток разряда ограничен резистором R10, длительность определяется постоянной вре­мени C12R10.

Импульс тока включает транзистор и запускает преобразователь. Отри­цательные полупериоды напряжения с базы VT9 прикладываются к эмиттеру VTIO и периодически включают этот транзистор. В результате конденсатор С12 поддерживается в разряженном состоянии и колебаний в цепи запуска больше не возникает. Если по какой-либо причине колебания в преобразовате­ле сорвутся, конденсатор С12 вновь начнет заряжаться, цепь запуска вновь выдаст импульс и преобразователь запустится.

Напряжение с двух половин вторичной обмотки выпрямляется диодами VD4, VD5, пульсации сглаживаются конденсаторами С6 и С7. Амплитуда пульсаций от пика до пика на выходе блока питания составляет около 0,3 В.

Ток, потребляемый блоком от сети, имеет вид коротких импульсов, заряжаю­щих конденсатор СЗ. Этот ток, протекая через первичную обмотку трансформа­тора Т1, наводит во вторичной обмотке импульсы напряжения.

После ограничения стабилитроном. VD2 и фильтрации в цепи C1R2C2 им­пульсы поступают через эмиттерный повторитель на дополнительный выход блока и используются в таймере после деления до 11 Гц в качестве счетных импульсов. В электронных часах от блока питания не требуется выдачи им­пульсов с частотой сети, поэтому элементы цепи их формирования можно ис­ключить, а резистор R1, ограничивающий бросок тока через VD1 при вклю­чении блока, необходимо увеличить до 36 Ом.

В блоке питания использованы конденсаторы типа К73-17 на рабочее на­пряжение 250 В (С4, С5), К50-29 (СЗ), КМ-6 (С1, С7), КМ-5а (С2, С8 — С12), резисторы типа МТ. Транзисторы КТ605А можно заменить на КТ604А. В ка­честве трансформатора Т1 использован импульсный трансформатор И49, имею­щий две одинаковые обмотки с индуктивностью по 29 мГн. Такой трансфор­матор можно намотать на кольцевом магнитопроводе из феррита МЗООО ти­поразмера К10Х6Х5. Каждая из его обмоток должна содержать по 150 вит­ков провода ПЭЛШО-0,12.

Трансформатор Т2 намотан на кольцевом магнитопроводе из феррита МЗООО типоразмера К32Х20Х6. Обмотка I содержит 150 витков провода ПЭЛШО-0,27, обмотка 11 — 2x6 витков ПЭВ-2 — 0,8 мм, III — IV — по 4 витка ПЭЛШО-0,27. Обмотки следует тщательно изолировать друг от друга, можно использовать для этой цели полиэтиленовую пленку. Обмотка I и каждая по-.ловина обмотки II должны быть равномерно распределены по окружности -кольца. При указанных параметрах трансформатора Т2 частота преобразова­ния составляет около 30 кГц. Если трансформатор намотать на магнитоиро-воде из феррита М2000 типоразмера К28Х16Х9 с сохранением указанного числа витков, частота преобразования составит около 16 кГц.

Блок питания при аккуратном монтаже может быть собран в объеме галь­ванической батареи 3336. Налаживания блок не требует. Выходное напря-.жение блока должно составлять около 5 В при токе нагрузки 0,3 А и 4,8 В при 0,8 А. Если выходное напряжение отличается от указанных значений, не­обходимо подобрать число витков первичной обмотки Т2. Если преобразова­тель при включении не запускается, необходимо проверить осциллографом с закрытым входом напряжение на коллекторе VT10 — оно должно иметь вид пилообразных колебаний с частотой около нескольких сотен герц. Если коле­бания отсутствуют, необходимо заменить VT10.

Хорошей формы импульсов с частотой 50 Гц можно добиться, зашунти-ровав первичную обмотку Т1 резистором R* с сопротивлением несколько де­сятков омов, а также подобрав, при необходимости, емкость конденсаторов С1 и С2.

Однотрансформаторный преобразователь описанного блока имеет относи­тельно низкий кпд — около 50%- Почти половина потребляемой от сети мощ­ности рассеивается в трансформаторе Т2, магнитопровод которого работает в насыщенном режиме. Вторым и более серьезным недостатком однотрансфор-маторного преобразователя является наличие сквозных токов через транзи­сторы. Дело в том, что закрытые транзисторы начинают открываться одно­временно с началом закрывания открытых транзисторов в момент насыщения трансформатора. Открывание транзисторов происходит всегда быстрее, чем за­крывание, в результате чего некоторое время (около 1 икс) транзисторы обо­их плеч моста преобразователя оказываются включенными. Спасает транзисто­ры КТ605А от выхода их из строя относительно высокое сопротивление в со--стоянии насыщения. Попытка установить в однотрансформаторный преобразо­ватель транзисторы с малым сопротивлением насыщения приводит к их бы­строму выходу из строя.

Поэтому при требуемой во вторичной цепи мощности более 5 Вт более целесообразно применение двухтрансформаторных преобразователей, не име­ющих указанных недостатков.

Схема блока питания с двухтрансформаторным преобразователем приве­дена на рис. 90. Первичная обмотка основного трансформатора преобразова­теля Т2 включена в диагональ моста, образованного транзисторами VT5, VT6 -и конденсаторами СЗ и С4.

Параметры трансформатора рассчитаны так, что его магнитопровод не вхо­дит в насыщение, поэтому потери в нем невелики. Базовые цепи транзисто­ров VT5 и VT6 получают питание от вторичных обмоток трансформатора Т1, магнитопровод которого может входить в насыщение, однако из-за малых раз­меров магнитопровода потери в нем относительно малы.

Отсутствие сквозных токов через транзисторы преобразователя объясняет­ся следующим. Ток базы включенного транзистора уменьшается во времени за счет увеличения тока намагничивания трансформатора VT1. Когда ток ба­зы станет меньше необходимого для поддержания транзистора в насыщенном состоянии, транзистор начнет выключаться, но лишь после прекращения тока j через него напряжение на первичной обмотке Т2 начнет изменяться, и только в результате этого начнет включаться транзистор второго плеча преобразова­теля. Таким образом транзисторы двухтрансформаторного преобразователя не бывают включенными одновременно, что исключает появление сквозных токов. Однако это верно лишь в том случае, если основной трансформатор преоб­разователя не входит в режим насыщения. Если же трансформаторы рассчи­таны неправильно и трансформатор Т2 входит в насыщение раньше, чем ток базы уменьшается до нуля, появляются сквозные токи транзисторов VT5 и VT6 и они выходят из строя.

Рис. 90. Схема блока питания для частотомера или мультиметра

Использование довольно мощных диодов в выпрямителе сетевого напря­жения объясняется необходимостью для уменьшения потерь до предела снизить номинальное значение ограничительного резистора R1. Дроссели L1 и L2 уменьшают проникновение высокочастотных помех от преобразователя в сеть. Резистор R7 разряжает СЗ и облегчает запуск преобразователя при повтор­ных включениях. Подстройкой резистора R6 можно в широких пределах менять частоту работы преобразователя.

Блок питания собран на печатной плате размером 155x80 мм из двусто­роннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

На стороне установки элементов фольга сохранена полностью и выполня­ет роль общего провода и экрана. Расположение проводников на противопо­ложной стороне показано на рис. 91. Отверстия, кроме помеченных на рис. 91 дрестиками, означающими пайку к фольге общего провода, на стороне установки элементов раззенкованы. Диоды VD1 — VD4, транзисторы VT5, VT6 и подстроечный резистор R6 укреплены на небольших платах из двустороннего стеклотекстолита, подпаянных перпендикулярно к фольге общего провода. Вы­сота плат 27 мм.

Для подключения к устройству, в котором используется блок питания, в печатную плату впаяны штырьки диаметром 1 мм от разъема ШР. Два штырь­ка, обозначенные на рис. 90 и 91 буквой I, предназначены для контроля то­ка, потребляемого преобразователем при настройке (после настройки между ними устанавливается перемычка), штырек F — для контроля частоты.

Интегральная микросхема DA3 установлена в окне печатной платы, она закреплена двумя винтами JVL2.5 на радиаторе, который, в свою очередь, кре­пится вплотную к печатной плате. Радиатор игольчатый, с размерами 40X Х40Х27 мм.

В блоке питания использованы резисторы МТ, конденсаторы К.50-29 (С1, С2), К73-17 (СЗ, С4, С6), КМ-5а (С5, С9, С13), КМ-6 (С7, С8, СИ, CJ2, С14 — С19), стандартные дроссели Д-1,0 (LI, L2), ДМ-0,1 (L3 — L5), ДМ-2,4 (L6). Подстроечный резистор R6 типа СП5-16ВБ-0.5 Вт.

Транзисторы VT5 и VT6 должны иметь близкие коэффициенты усиления, их можно заменить на КТ704, КТ812, КТ824 с любым буквенным индексом, К.Т809А. Выпрямитель VD10 можно собрать из четырех диодов КД104А, а вместо диодов VD11 — VD18 использовать КД509А или сборки КЦ407А, КД906Л, К142НД1, К142НД4, К142НД5. Диоды КД213А можно заменить на КД213Б или КД212А.

Трансформатор 77 намотан на кольцевом магнитопроводе из феррита M3000 типоразмера К10Х6Х5. Первичная обмотка содержит 30 витков, вторичные — по 6 витков провода ПЭЛШО-0,27. Трансформатор Т2 намотан на кольцевом магнитопроводе М2000 типоразмера К28Х16Х9. Обмотка I содержит 110 вит--ков провода ПЭЛШО-0,27, обмотка II — 160 витков ПЭЛШО-0,1, III и IV — по 16 витков ПЭЛШО-0,27, V — 2X8 витков ПЭВ-2-1,0. Витки обмоток сле­дует равномерно распределить по магнитопроводу (для обмотки V — каждую половину).

Для настройки к контактам I следует подключить миллиамперметр на 100 мА, к выходу стабилизатора 5 В — резистор 5 Ом 5 Вт, к контакту F и общему проводу — частотомер и (или) осциллограф.

Резистор Д6 следует установить в положение максимального сопротивле­ния, после чего включить блок питания. После возникновения генерации не­обходимо сразу же измерить ее частоту и, если она менее 20 кГц, сразу же отключить блок от сети. Если частота превышает 20 кГц, ее следует умень­шить, плавно вращая ось резистора R6. При уменьшении частоты ток потреб­ления, измеряемый прибором (примерно 45 мА), незначительно увеличивается, однако при частоте около 20 кГц начинается резкое возрастание тока, что указывает на переход трансформатора преобразователя в насыщенный ре­жим р появление сквозных токов транзисторов. Частоту преобразователя це­лесообразно установить примерно в 2 раза большей частоты, при которой про­исходит резкое увеличение потребляемого тока. Хотя при несколько большей частоте ток потребления снижается, увеличивать ее не следует из-за ухудше­ния условия возбуждения преобразователя.

Рис. 91. Печатная плата блока питания

Если подстройкой R6 нельзя установить необходимой частоты, можно из­менить число витков Т1, сохранив коэффициент трансформации. Для снижения частоты необходимо увеличить число витков, для увеличения — умень­шить.

Подключив к выходам ±12,6 В резисторы с сопротивлением 120 — 150 Ом 2 Вт, следует подобрать резисторы R8-R11 для получения необходимого вы­ходного напряжения, при этом нельзя увеличивать R9 и JR.11 более 1,5 кОм.

Блок питания необходимо поместить в перфорированный латунный экран. Если прибор с таким блоком собран в металлическом корпусе, достаточно от­делить его от остальных элементов прибора металлическим экраном или пла­стиной фольгированного стеклотекстолита.

Если стабилизатор напряжения собран по схеме рис. 90 с использова­нием микросхемы К142ЕН5А, стабилизатор напряжения в частотомере по схе­ме рис. 72 не нужен. При отсутствии микросхемы К.142ЕН5А следует сохра­нить фильтр C15C16L6C17C18, а стабилизатор собрать по схеме рис. 72.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенное в книге описание принципов и примеров использования интегральных микросхем, конечно, не может претендовать на полноту. В на­стоящее время появилось много новых комбинационных и последовательных интегральных микросхем, а также интегральных микросхем, которые не могут быть однозначно отнесены ни к одному из двух указанных типов — это ИС с триггерами Шмитта (К155ТЛ1, К155ТЛ2) и ждущие мультивибраторн (К155АГ1, К155АГЗ). Быстро развиваются серии интегральных микросхем ТТЛ с диодами Шотки (К530, К531, К533, К555), обладающие резко увеличенным быстродействием (К530, К531) или уменьшенной мощностью (К533, К555) по сравнению со стандартной серией К155. Однако многие описанные здесь об­щие принципы использования интегральных микросхем ТТЛ позволяют распро­странить их и на новые интегральные микросхемы, а некоторые особенности и возможности их применения упомянуты в этой книге.

Автор надеется, что книга поможет радиолюбителям не только успешно повторить описанные конструкции, но и творчески подойти к самостоятельной разработке и изготовлению многих полезных и интересных цифровых уст­ройств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеев С. А. Применение микросхем серии KL55. — Радио, 1977, № 10 с. 39 — 41; L978, № 5, с. 37 — 38; 1982, № 1, с. 30 — 34.

Бирюков С. А. Дисплей в трансивере. — Радио, 1977, № 5, с. 17 — 19.

Бирюков С. А. Цифровая шкала и электронные часы. — Радио, Ш77, № 9, с. 19 — 22.

Бирюков С. А. Электронные часы. — Радио, 1980, № 1, с. 52 — 54.

Бирюков С. А. Цифровой частотомер. — Радио, 1981, № 10, с. 44 — 47.

Бирюков С. А. Блок питания цифрового частотомера. — Радио, 1081, №12, с. 54 — 55.

Бирюков С. А. Радиолюбительские цифровые устройства. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.

Бирюков С. А. Генератор прибора для настройки музыкальных инструмен­тов. — Радио, ,Ш82, № 4, с. 33 — 35.

Бирюков С. А. Цифровая шкала. — Радио, 1982, № 11, с. 18 — 20; № 12, с. 23 — 25.