Блок питания

Самый простой блок питания, если говорить о питании от сети, получается из понижающего трансформатора, мостового выпрямителя и электролитического конденсатора. Понижающий трансформатор я советую купить готовый. Дело не в том, что его сложно рассчитывать, есть простые расчетные формулы, с которыми можно справиться, и дело не в том, что его сложно наматывать, было бы желание и терпение, но при самостоятельном изготовлении трансформатора можно легко повредить обмоточный провод и испортить не только результаты своего нелегкого труда, но и вызвать неполадки в силовой сети. Я бы посоветовал даже больше – использовать готовый сетевой адаптер или блок питания без стабилизации. От многих устройств остаются такие неприкаянные сетевые блоки питания. Само устройство давно выброшено или разобрано на детали, а блок питания лежит где-нибудь, заваленный другими не менее забытыми бытовыми приборами. Подобный блок питания можно аккуратно разобрать, хорошо изолировать изоляционной лентой все, что связано с сетью, и провести ряд исследований, которые помогли бы понять работу и устройство обычных блоков питания. Можно бы и не совсем обычных, а таких, как импульсные блоки питания, но исследование их работы в реальных условиях сопряжено с опасностью поражения электрическим током, что, как мне известно, не входит в круг ваших интересов. Как выглядит схема обычного блока питания?

Рис. 6.17. Схема простейшего блока питания

Для простоты я использовал источник V1 с напряжением 100 В, трансформатор с коэффициентом трансформации 10 (такой коэффициент я задаю в программе), готовый диодный мост, который взял из Библиотеки компонентов в разделе меню Инструменты, но,

подумав нарисовал схему выпрямительного моста рядом, использовав отдельные диоды, и сопротивление нагрузки R1. Конденсатор в схему я пока не добавил, чтобы получить диаграмму выпрямленного напряжения. О трансформаторе я упоминал выше, когда говорил об индуктивности. Могу добавить только, что сердечник трансформатора в данном случае изготавливается из специальных сортов стали, изготавливается из тонких пластин, которые покрывают лаком, и которые затем собирают в пакет. Такой сердечник позволяет максимально избежать потерь. Трансформатор имеет две обмотки, обычно их располагают на одном или двух каркасах из диэлектрика, у понижающего трансформатора первичная имеет много больше витков и выполнена из более тонкого провода, чем вторичная. Идея с витками

ипроводом достаточно ясна, если вспомнить, что для переменного тока индуктивность представляет собой некоторое сопротивление, зависящее от частоты. Чтобы получить достаточно большое сопротивление на частоте силовой сети 50 Гц, приходится увеличивать индуктивность, которая тем больше, чем больше витков. При этом по первичной обмотке протекает ток, а следовательно мы можем определить мощность в первичной обмотке, умножив этот ток на напряжение. А поскольку почти вся мощность первичной обмотки передается во вторичную, напряжение которой меньше, ток этой обмотки должен быть больше, а, значит, провод должен быть толще. Для нормальной долговременной работы трансформатора толщину обмоточного провода выбирают по допустимой плотности тока в обмотке, то есть, по отношению тока в обмотке к сечению провода. По выбранному сечению

иопределяется диаметр (толщина) провода. Но это не то, о чем мне хотелось бы сейчас сказать. О том, как переменное напряжение «выпрямляется», я говорил в связи с работой полупроводникового диода. Мостовой выпрямитель, состоящий из четырех диодов, выпрямляет обе полу-волны переменного напряжения, что и показывает диаграмма. Но после выпрямления мы еще не получаем постоянного напряжения. Оно остается переменным. Оно не меняется по направлению, но меняется по величине! Чтобы исправить это и включают на выходе выпрямителя конденсатор.

Конденсатор в сочетании с сопротивлением выпрямителя, состоящим из активного сопротивления вторичной обмотки и сопротивления двух открытых диодов, можно рассматривать как фильтр, срезающий все высокие частоты, представленные в выпрямленном, но «переменном» напряжении. Фильтр «отфильтровывает» все пульсации с частотой 100 Гц и выше, из этих соображений и выбирают величину конденсатора. Почему 100 Гц? Исходно на вторичной обмотке трансформатора переменное напряжение 50 Гц. В течение одного полу-периода на ней плюс там, где обмотка помечена точкой. В этом случае ток проходит через диоды D3 и D4 (рисунок моста на рисунке 6.17). В другой полу-период на вторичной обмотке, помеченной точкой, минус, а ток проходит через диоды D5 и D2. Оба полу-периода равнозначны, значит повторение сигнала на выходе выпрямителя происходит в два раза чаще, чем в сети переменного напряжения, то есть, с частотой 100 Гц.

Действие конденсатора на выпрямленное напряжение можно рассмотреть проще. Конденсатор заряжается через активное сопротивление вторичной обмотки и диодов, а разряжается через сопротивление нагрузки. Время заряда (и разряда) зависит от величины сопротивлений и емкости конденсатора. Если емкость конденсатора выбрать достаточно большой, сопротивление нагрузки достаточно большим, а сопротивление обмотки и диодов всегда достаточно маленькое, то конденсатор будет гораздо быстрее заряжаться, чем разряжаться. Сам же заряженный конденсатор вполне можно рассматривать, как источник напряжения. Без конденсатора выпрямленное напряжение будет «пульсирующим», эти-то пульсации и сглаживает конденсатор.

Рис. 6.18. Выпрямленное напряжение с добавленным в схему конденсатором

Такое напряжение уже вполне можно называть постоянным. Величину конденсатора выбирают по току потребления, или иначе можно сказать, что емкость конденсатора зависит от сопротивления нагрузки. Рабочее напряжение конденсатора выбирают равным или большим, чем напряжение на выходе выпрямителя «на холостом ходу», то есть, без сопротивления нагрузки, эквивалентного сопротивлению схемы, для которой мы делаем блок питания. Уменьшим сопротивление нагрузки, что эквивалентно увеличению потребляемого тока, и посмотрим на диаграмму.

Рис. 6.19. Влияние нагрузки на форму выпрямленного напряжения

Я уменьшил величину сопротивления нагрузки в предыдущей схеме до 50 Ом и увеличил время наблюдения до 100 мС. Напряжение бывшее раньше постоянным вновь становится переменным (по величине) и существенно. Увеличим емкость конденсатора C1 до 1000 мкФ.

Рис. 6.20. Влияние емкости конденсатора на выходе выпрямителя

Положение стало лучше. Пульсации всегда присутствует на выходе выпрямителя, амплитуда пульсаций входит в расчеты, связанные с созданием блоков питания и не должна превышать некоторой величины, обеспечивающей нормальную работу схемы, для которой блок питания предназначен. Для одних схем допустимы большие пульсации, для других меньшие.

Пока я не убежал слишком далеко в своем рвении рассказать о блоках питания «побольше», хочу обратить ваше внимание еще на один факт, показанный на диаграммах. Если вернуться к самому первому рисунку, то можно отметить, что амплитуда напряжения меньше десяти вольт. Амплитуда генератора 100 вольт. Трансформатор уменьшает ее в десять раз. Почему амплитуда выпрямленного напряжения меньше 10 вольт? Я думаю, что программа учитывает то, что два диода в мостовой схеме выпрямления, а в этом случае для каждой полу-волны в прямом направлении включено два диода, что два диода требуют, чтобы на их p-n переходах было напряжение 0.5-0.7 В. Это напряжение необходимо диоду, чтобы он открывался и пропускал ток в прямом направлении. Реально на диодах падает напряжение даже и несколько больше. Это напряжение, похоже, и учтено программой, это напряжение будет падать и на реальных выпрямительных диодах. Кроме того, после подключения нагрузки, когда в нагрузке протекает ток, на активном сопротивлении вторичной обмотки тоже будет падение напряжения. Это падение напряжения обычно учитывается при расчете трансформатора. Но это напряжение зависит от тока, потребляемого нагрузкой, а, значит, на «холостом ходу» на выходе выпрямителя может быть большее напряжение, чем в рабочем режиме. И это увеличение напряжения следует учитывать при выборе конденсатора, при выборе допустимого напряжения на конденсаторе.

Кроме сглаживающего конденсатора на выходе выпрямителя можно использовать более эффективные фильтры. Но об этом позже. А сейчас немного о том, какое напряжение по величине будет получаться на выходе простейшего блока питания. Или, иначе, что мы можем измерить вольтметром на выходе блока питания?

Рассмотрим схему с конденсатором 100 мкФ и сопротивлением нагрузки 50 кОм. К схеме добавим измеритель напряжения.

Рис. 6.21. Схема для экспериментов с измерением напряжения

Диаграмму, как вы заметили, я выбрал в табличной форме, а в диалоговом окне выбрал зависимое от времени напряжение измерителя Pr1. В длинном списке напряжений есть те, что получаются через 100 мС после начала измерений. Это напряжение, равное 8.75 В и показано на рисунке. Теперь уменьшим сопротивление нагрузки до 5 кОм. Измеритель покажет напряжение 8.55 В. Уменьшим его до 500 Ом. Напряжение становится меньше. А уменьшив нагрузку до 50 Ом, мы получим 4.4 В. Но если теперь просмотреть все напряжения, записанные в таблице, то будут и меньшие, чем это значение, и большие. А что покажет мультиметр? Некоторое среднее значение между этими напряжениями. Мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения показывает среднее значение. Вот на это мне хотелось обратить ваше внимание. Иногда это может приводить к недоразумениям.

Но вернемся к проекту. Когда мы знаем, какое напряжение нам нужно, какова нагрузка – сопротивление нагрузки или потребляемый ток, мы можем подобрать все элементы блока питания надлежащим образом. Но мы-то хотели сделать блок питания, который можно применять во многих случаях, пусть даже при одинаковом напряжении. А напряжение, как выясняется, будет зависеть от нагрузки, и я промолчу о качестве этого напряжения. Как можно улучшить ситуацию?

Конечно, используя стабилизацию напряжения. Рассмотрим два подхода к построению стабилизированных блоков питания, которые могут быть полезны в плане понимания процесса стабилизации напряжения, а затем решим, как сделать блок питания для экспериментов с разными схемами.

Рассказывая о параметрах транзисторов, я говорил, что важно не превышать предельно

допустимого напряжения на коллекторе, иначе ток может резко и неуправляемо возрасти. Но это касается не только транзисторов, а и диодов. Когда обратное напряжение на диоде превышает его предельно допустимое напряжение, ток через закрытый диод может резко возрастать. Диоды, специально выполненные так, чтобы этот эффект стал более «выпуклым», чтобы он был ярче выражен, такие диоды называют стабилитронами (или диодами Зенера). Самый простой стабилизатор – это стабилитрон и резистор, ограничивающий ток через него.

Рис. 6.22. Включение стабилитрона

На первой диаграмме показан ток через стабилитрон при изменении напряжения источника питания V1 от 1 до 6 В. Когда напряжение на стабилитроне достигает величины напряжения стабилизации, ток начинает быстро возрастать. А это приводит к резкому увеличению напряжения на резисторе R1, как это показано на второй диаграмме, в итоге на напряжение на стабилитроне, равное разности напряжений источника и падения напряжения на резисторе, уменьшается и затем поддерживается достаточно постоянным в широком диапазоне изменений напряжения источника питания. Кроме того, если ток в нагрузке, она не показана на схеме, возрастает, то это тоже приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R1 и уменьшению напряжения на стабилитроне. Но уменьшение напряжения на стабилитроне приводит к быстрому уменьшению тока через стабилитрон, уменьшению падения напряжения на резисторе R1, то есть, напряжение на стабилитроне и в этом случае будет стремиться к некоторому динамическому равновесию около напряжения стабилизации. Обратите внимание, что пара резистор-стабилитрон, тоже образуют делитель напряжения. Однако напряжение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе R1 будет разница

между напряжением от источника питания и этим постоянным напряжением.

Стабилитрон, с его свойством стабилизировать напряжение, используется в простейшем стабилизированном блоке питания (его называют параметрическим), как это показано ниже.

Рис. 6.23. Простой стабилизированный блок питания

Благодаря стабилитрону D2 с напряжением стабилизации 5 В и дополнительным резистором R2, напряжение на базе транзистора T1 поддерживается постоянным. Но, вспомним законы Кирхгофа и Ома, напряжение между базой транзистора и общим проводом должно быть равно сумме напряжения база-эмиттер транзистора и напряжения в нагрузке R1. Напряжение база-эмиттер транзистора составляет 0.7-1 В и меняется очень мало, так устроен транзистор, в итоге и напряжение на сопротивлении нагрузки R1 меняется тоже очень мало. Изменяя сопротивление нагрузки от 5 кОм до 500 Ом, мы можем наблюдать, что выходное напряжение остается, практически, постоянным, тогда как ток, потребляемый от блока питания существенно изменяется. На диаграмме ниже показано напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе C1) и на выходе блока питания.

Рис. 6.24. Напряжения на входе и на выходе стабилизатора Напряжение сети, напомню 100 В, а трансформатор понижает его в 10 раз. Предположим,

что напряжение в сети возросло до 150 В. Как поведет себя стабилизатор?

Рис. 6.25. Напряжение на входе и выходе стабилизатора при увеличении сетевого

Напряжение на входе стабилизатора увеличилось с 8 до 12 В, тогда как напряжение на выходе стабилизатора осталось на прежнем уровне. И обратите внимание на то, что пульсации на выходе выпрямителя (на конденсаторе C1), заметные невооруженным глазом, практически отсутствуют на выходе стабилизатора. Кроме поддержания напряжения он еще и повышает качество выпрямленного напряжения.

Еще одна схема стабилизированного блока питания будет полезна для понимания того, как работают микросхемы стабилизаторов напряжения.

Рис. 6.26. Компенсационный стабилизатор напряжения

Напряжение на выходе стабилизатора напряжения (Uout) определяет ток в базовой цепи транзистора T2, чем больше это напряжение, тем больше базовый ток. Коллекторный ток

этого транзистора, связанный с базовым коэффициентом усиления по току, создавая падение напряжения на резисторе R3, определяет напряжение базы транзистора T1 относительно общего провода. А это напряжение, как и в предыдущей схеме, должно быть равно падению напряжения на переходе база-эмиттер T1 плюс выходное напряжение стабилизатора. С ростом базового тока транзистора T2 уменьшается эта сумма, а напряжение перехода у транзистора меняется мало, значит уменьшится напряжение на выходе стабилизатора. А это, как мы определили в начале, уменьшит базовый ток транзистора T2, устанавливая, в конечном счете, динамическое равновесие около напряжения стабилизации. Это напряжение задается делителем напряжения на резисторах R1 и R2. Можете, изменяя величину резистора R2, посмотреть, как изменится выходное напряжение. Стабилитрон D2 в эмиттерной цепи транзистора T2 существенно улучшает работу стабилизатора. Для сравнения замените его сопротивлением 500 Ом.

На диаграмме показано напряжение на выходе выпрямителя, верхний график, и напряжение на выходе стабилизатора. Как и в предыдущем случае стабилизированное напряжение получатся с меньшими пульсациями. Схема микросхем серии К142 устроена сложнее, но обе схемы работают схожим образом.

За счет чего во всех приведенных схемах достигается стабилизация напряжения? Конечно за счет того, что напряжение на выходе выпрямителя больше, чем выходное напряжение стабилизатора. Этот избыток напряжения и используется для компенсации выходного напряжения, если оно уменьшается, или в избыток (запас) напряжения отводится часть выходного, когда оно становится больше заданного. Транзистор T1 и сопротивление нагрузки (все сопротивления на выходе стабилизатора) образуют делитель напряжения, где сопротивление одного из элементов регулируется для получения соответствия с заданным значением напряжения деления. Избыток напряжения, как видно из схемы, падает на транзисторе, а, следовательно, на транзисторе выделяется мощность, зависящая от этого напряжения и тока, потребляемого нагрузкой блока питания. С одной стороны, чем больше запас напряжения, тем больше возможности по поддержанию стабильного напряжения, но тем больше и рассеиваемая транзистором мощность. На диаграмме видно, что избыток напряжения равен 3 В. При токе в 1 А на транзисторе выделяется мощность 3 Вт. Ни один транзистор, как правило, не может избавиться от тепла при такой выделяемой мощности. Тепло рассеивается корпусом транзистора за счет его контакта с воздухом. Эффективность рассеивания тепла определяется площадью поверхности корпуса и, конечно, температурой окружающего воздуха. Для отвода тепла транзистор в подобном случае крепят на специальном теплоотводе – радиаторе. Радиатор для увеличения поверхности при заданных габаритах делают ребристым или игольчатым. Чем больше поверхность, тем лучше отводится тепло. Но... до некоторого предела. Тепло от источника тепла, транзистора, растекается по теплоотводу, и если он очень большой, то тепло не будет успевать «добраться до окраин». Избыточная поверхность радиатора не принимает участия в теплообмене. Чтобы этого не происходило, радиатор для каждого конкретного случая рассчитывается. Среди параметров транзисторов есть ряд параметров, называемых тепловыми сопротивлениями, которые и входят в эти расчеты. Как проводник оказывает сопротивление протеканию тока, так и материалы корпуса транзистора и радиатора сопротивляются протеканию тепла, ухудшая отвод тепла от кристалла, из которого сделан транзистор. При креплении корпуса транзистора к радиатору стараются сделать его таким, чтобы не образовывалось воздушного промежутка. Для этой цели применяют специальные не высыхающие пасты с хорошей теплопроводностью. В компьютерной технике широко применяют принудительное охлаждение с помощью вентиляторов. Точный расчет радиатора достаточно сложен, хотя и не сложнее расчета самого блока питания, трансформатора, выпрямителя, стабилизатора. Этим расчетам следует посвятить отдельное место, а пока, просто не будем забывать о том, что все

элементы схемы могут нагреваться, и их следует охлаждать при сильном нагреве.

Конечно, если у вас еще нет блока питания для дальнейших экспериментов с электронными устройствами, и есть намерение самостоятельно изготовить его, наилучшее решение применить в качестве стабилизатора микросхему. Достаточно микросхемы серии КР142ЕН с фиксированным напряжением, скажем, 5 В. Такая микросхема имеет три вывода: вход, выход и общий. Как и транзистор, микросхему нужно установить на радиатор, если вы хотите получать на выходе стабилизатора токи порядка ампера и больше, а при выборе трансформатора можно принять, что выпрямленное напряжение станет равным амплитудному значению. Избыточного напряжения в 2-3 В будет достаточно для работы стабилизатора. При токе 0.5 А и избыточном напряжении 2 В на микросхеме рассеивается мощность 1 Вт. Микросхемы серии КР142ЕН могут рассеять такую мощность без дополнительного теплоотвода. Так что, снижая требования к выходным параметрам блока питания, можно существенно облегчить его конструкцию. Из этих же соображений можно сделать два блока питания, положим, один на 5 В, а второй на 12 В. Прежде, чем приступать к их изготовлению, можно в программе Qucs провести необходимые эксперименты, измерить все токи и напряжения, на которые и ориентироваться. Мощность, потребляемая нагрузкой от выпрямителя (сумма мощности в нагрузке стабилизатора и рассеиваемой транзистором), определит необходимую мощность трансформатора, но необходимо учитывать, что коэффициент полезного действия трансформатора не сто процентов, а имеет порядок 60-70%. Такой трансформатор и следует покупать. Лучше взять трансформатор большей мощности. Еще полезнее будет купить трансформатор большей мощности с несколькими выходными обмотками на разное напряжение. Впоследствии этот трансформатор можно использовать для улучшенных версий блока питания. Но самым надежным вариантом для вас может стать покупка готового блока питания с регулируемыми напряжениями. А создание своего блока питания можно превратить в интересный проект, где исследование свойств устройства – главная и единственная задача, которую можно решать с помощью программы, впоследствии переносится макетную плату и проверяется. Обретя опыт, вы сможете строить современные, например, импульсные блоки питания с заданными параметрами: нагрузочными, габаритными и т.д.

Чтобы легче было во всем этом разобраться, давайте вернемся к устройству, которое мне кажется одним из самых основных, позволяющих понять очень многое из жизни электроники

– к усилителю.