тельных проводах между источником питания и нагрузкой с большим током иногда решается путем вынесения измерительных элементов: клеммы, ведущие обратно к усилителю ошибки и опорному источнику, выводятся отдельно на клеммную колодку источника питания и могут или подсоединяться к выходам стабилизированного напряжения прямо на этом месте (обычный способ), или от них могут быть проложены шины дальше и присоединены к нагрузке рядом с выводами напряжения питания (этот способ требует наличия четырех проводов, два из которых должны быть рассчитаны на большие токи нагрузки). Большинство серийных источников питания приходит с перемычкой на задней стенке, соединяющей измерительные входы стабилизатора сего выходом, которую можно убрать для вынесения измерительных входов. Аналогично включаются четырехпроводные резисторы для измерения тока нагрузки при построении источников питания с точно удерживаемым постоянным значением тока в нагрузке. Более подробно это описывается в разд. 5.24.

Параллельное включение проходных транзисторов. Если от источника питания требуются большие значения выходного тока, то приходится применять несколько проходных транзисторов, сое-даненных параллельно. При этом из-за разброса параметра и^э приходится последовательно с эмиттером каждого из них ставить небольшой резистор, как показано на рис. 5.П. Эти резисторы гарантируют приблизительно равное распределение тока между проходными транзисторами. Значение R выбирается таким, чтобы падение напряжения на резисторе было ~0,2 В при максимальном значении выходного тока. Мощные ПТ могут быть соединены параллельно без дополнительных элементов благодаря отрицательному наклону зависимости их тока стока от температуры. Это мы рассмотрим в разд. 6.20.

К

Область безопасной работы (ОБР)

Последнее замечание о мощных транзисторах: явление, известное как лавинный . . пробой , ограничивает одновременно и Рис. 5.11. ток, и напряжение, которое может быть

приложено к любому конкретному транзистору, поэтому изготовителем указывается область безопасной работы (это совокупность диапазонов безопасных напряжений при данном токе в зависимости от времени его протекания). Лавинный пробой связан с образованием *орячих точек в транзисторных переходах и возникающим вследствие этого неравномерным распределением полного тока. Этот факт акладывает на ток коллектора еще более жесткие ограничения, чем ксимум рассеиваемой мощности (кроме случаев малых напряжений

между коллектором и эмиттером). На рис. 5.12 показана область без( пасной работы для широко применяемого транзистора 2N3055. Когда (/кэ>40 В, лавинный пробой ограничивает постоянный ток коллектора до величин меньших, чем позволяет максимальное значение рассеиваемой мощности (115 Вт). Мощные МОП-транзисторы в связи

250 МКС 50 МКС

10 20

Напряжение Укэ>

Рис. 5.12. Область безопасной работы мощного транзистора (с разрешения Motorola Semiconductor Products Inc.).

- - - ограничен сечением выводов; - - - температурное ограничение Гк = 250°С (отдель ные импульсы); -ограничение лавинного пробоя.

С ИХ отрицательной зависимостью тока стока от температуры не боятся температурного дрейфа параметров и лавинного пробоя, поэтому их область безопасной работы ограничена только максимумом рассеиваемой мощности в границах максимального напряжения и тока*.

5.08. Программируемые источники питания

Часто возникает необходимость в наличии такого источника питания, который можно регулировать вплоть до нулевого напряжения, особенно в случае стендовых источников, где такая гибкость существенна. К тому же часто целесообразно программировать выходное напряжение каким-либо другим напряжением, цифровым кодом или, например, ручным переключателем. На рис. 5.13 показана классическая схема источника питания, допускающая регулировку вплоть до нулевого напряжения (в отличие от схем, использующих ИМС 723). Отдельный расщепленный источник питания питает стабилизатор и дает точное опорное отрицательное напряжение (об опорных источниках подробнее см. разд. 5.13 и 5.14). Резистор Ri служит для установки выходного напряжения, и, так как инвертирующий вхоД

*) Это связано и с принципом действия полевых транзисторов,- Прим. ред.

потенциально заземлен, оно может меняться до нуля (при нулевом сопротивлении Ri). Поэтому, когда схема стабилизатора (это может gbiTb интегральная схема или собранная из отдельных элементов) питается от расщепленного

Сильноточный нестабилизир. источник

-Гот

Слабо- точный расщепленный источник

г

..-вх

источник

отрицат. опорного - напряжения

Регулировка выхода

ОП.ВЫ)С

Рис. 5.13. Стабилизатор с нижней границей диапазона выходного напряжения О В.

источника, не возникает трудностей, связанных с низким выходным напряжением.

Чтобы сделать стабилизатор программируемым, просто заменим напряжением, задаваемым извне (рис. 5.14). Остальная часть схемы останется без изменений. Резистор Ri теперь будет масштабировать 1/.

Управление цифровым кодом можно получить заменой опорного напряжения на устройство, называемое цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с токоотбирающим выходом. Эти устройства, которые мы позже рассмотрим, преобразуют двоичный код на входе в пропорциональный по току (или напряжению) сигнал на выходе. Распространенным устройством такого типа является МС1408 - монолитный восьмибитовый ЦАП с токоотбирающим выходом стоимостью около 5 долл. Заменив t/on Vi Ri на ЦАП, получим источник питания, программируемый цифровым кодом. Так как на инвертирующем входе потенциальная земля, то от ЦАП не требуется значительного рабочего диапазона по напряжению. На практике Ri используется для выставления определенного масштаба преобразования цифрового кода, например 1 мВ на единицу входного кода.

Рис. 5.14.

5.09. Пример схемы источника питания

Лабораторный стенд питания, схема которого показана на рис. -5, дает возможность собрать вместе все проектные идеи. Для стендового питания общего назначения важна возможность регулировать 1Ход стабилизированного питания вплоть до нулевого напряжения, оэтому для питания стабилизатора используется дополнительный

расщепленный источник. HCi -это высоковольтный операционный усилитель, предназначенный для работы в стабилизаторах, например МС1436, который может работать при полном напряжении питания 68 В. Параллельно включенные проходные транзисторы обеспечивают рассеяние достаточной мощности и достаточную область безопасной работы, необходимую даже для умеренных значений тока.

Подбирается под напряжение 0.3 Б на потенциометре

Рис. 5.15. Лабораторный блок питания.

если обеспечивается столь широкий диапазон выходного напряжения. Жесткие требования вызваны тем, что входное нестабилизированное напряжение должно быть достаточно высоким для обеспечивания максимума выходного напряжения; в результате при малых выходных напряжениях падение напряжения на проходных транзисторах оказывается значительным. В некоторых источниках этот вопрос решается переключением входного нестабилизированного напряжения в зависимости от диапазона выходного напряжения. Существуют даже источники питания, работающие от регулируемого трансформатора, управляемого тем же сигналом, что и выходное напряжение. В обоих случаях теряется возможность дистанционного программирования.

Ri - это прецизионный многодекадный потенциометр для прецИ' зионной и линейной регулировки выходного напряжения. Выходное напряжение сравнивается с опорным, получаемым от прецизионного стабилитрона 1N829 (температурный коэффициент 5-10 /°С пР токе стабилитрона 7,5 мА). Схема ограничения тока сложнее простого

токового ограничителя, который обсуждался выше, так как при использовании стендового питания иногда желательно установить точный и стабильный предел тока нагрузки. При наличии такой возможности источник питания становится гибким источником постоянного тока. Транзистор обеспечивает постоянный балластный ток 100 мА, обеспечивая хороший рабочий режим схемы даже при значениях выходных напряжения или тока, близких к нулю, за счет удержания проходных транзисторов в активном режиме. Балластный ток позволяет источнику питания поглощать некоторый ток от нагрузки без увеличения выходного напряжения. Это целесообразно при работе с некоторыми необычными видами нагрузки, с которыми иногда приходится сталкиваться, например, прибор с собственным источником питания, который может подать некоторый ток на выводы стенда питания.

Отметим наличие внешних измерительных входов, не слишком правильно соединенных с выходными клеммами источника питания. Для прецизионного регулирования напряжения на нагрузке следовало бы подвести измерительные цепи к самой нагрузке, избегая падения напряжения на связующих проводниках, создающих паразитные цепи обратной связи.

НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Все стабилизированные источники питания требуют для своей работы источника нестабилизированного питания постоянного тока (см. разд. 1.27). Рассмотрим схему источника нестабилизирован-

Varo УНг'П

1.0 ком

Stancor 1?00ОмкФ25В JL L Р-8380 Sprague

ЗбпггзсогьАргА

VI30LAl0ft гаситель переходных процессов.

линейный фильтр лост шока-Corcom 1И

Рис. 5.16. Нестабилизированный источник питания со схемой связи с сетью переменного тока.

НОГО питания +13 В (номинал), предназначенного для использования со стабилизатором на -Ь5 В, 2 А (рис. 5.16). Рассмотрим эту схему слева направо, отмечая вопросы, о которых надо помнить при проектировании подобных устройств.

5.10. Компоненты линии переменного тока

Трехпроводная связь. Всегда используйте трехпроводный шнур с нейтральной зеленой жилой, присоединенной к кожуху прибора. Прибор без заземления может оказаться смертоносным в случае пробоя изоляции трансформатора или случайного контакта одной из шин питания (от сети) с кожухом прибора. Если кожух заземлен, то при такой неисправности просто сгорит предохранитель.

Линейный фильтр и устройство подавления переходных и/>очессов. В этой схеме мы применяем простой линейный LC-фильтр. Вообще, часто обходятся без таких фильтров, но с ними лучше, во-первых, потому, что они препятствуют возможному радиоизлучению из силовых проводов, а во-вторых, потому, что эти фильтры убирают помехи, которые могут быть наведены извне в линии питания. Фильтры для линий питания с великолепными параметрами выпускают несколько фирм, например Corcom, Cornell-Dubilier, Sprague. Эксперименты показали, что большие всплески (от 1 до 5 кВ) иногда случаются в любых линиях сетевого питания, а всплески поменьше встречаются чаще. Линейные фильтры довольно эффективно снижают действие таких помех.

Во многих ситуациях желательно использование гасителя переходных процессов , показанного на схеме. Это - устройство, которое начинает проводить ток, как только напряжение на его выводах превосходит определенный предел (как двусторонний высоковольтный стабилитрон). Устройства эти невелики и дешевы и могут гасить опасные импульсы тока в сотни ампер. Гасители переходных процессов выпускаются многими фирмами, например GE и Siemens. В табл. 5.2 и 5.3 приведены данные фильтров радиочастотных помех и гасителей переходных процессов.

Таблица 5.2

Гасители переходных процессов перемеииого тока 130 В

Плавкий предохранитель. Плавкий предохранитель - существенная деталь любого предмета электронного оборудования. Большие щитовые предохранители на 15-20 А не защитят электрон-

Фильтры для линий переменного тока 115 В

Таблица 5.3

ное оборудование, поскольку они срабатывают только в случае превышения общего расчетного тока проводки. Например, если проводка в здании сделана проводами четырнадцатого номера сечения, то предохранители будут рассчитаны на 15 А. Если же замкнется накоротко конденсатор фильтра в только что рассмотренной схеме (довольно обычная неисправность), то ток в первичной обмотке трансформатора может достичь 5 А вместо обычного 0,25 А. Общий предохранитель не сгорит, но ваш прибор превратится в электроплитку

или костер, поскольку на трансформаторе будет рассеиваться мощность более 500 Вт!

Несколько замечаний о плавких предохранителях: в блоках питания лучше использовать медленно действующие предохранители, поскольку имеют место большие токи переходных процессов при включении (например, при зарядке конденсаторов фильтра). Употребляйте предохранители с током срабатывания по крайней мере на 50% большим, чем требуется по значению номинального тока. Во-первых, предохранители, работающие на грани тока срабатывания, иногда плавятся от усталости . Во-вторых, следует иметь некоторый запас для наихудших расчетных условий - ток нагрузки может возрасти, если увеличится напряжение в линии и т. д. Подводя провода к держателю предохранителя (к тому, что обычно применяется для предохранителей ЗАО, которые почти универсальны для любого электронного оборудования), делайте это таким образом, чтобы человек, меняющий предохранитель, не мог случайно коснуться силовой линии. Для этого нужно горячий провод подводить только к заднему выводу предохранителя (один из авторов убедился в этом на собственном опыте!)

Риск электрического удара. Из изложенного следует, что неплохо было бы все места соединений внутри прибора, на которых есть ПО В 1\ изолировать тефлоновыми труйками ( кембриками ), дающими усадку при нагревании (использование внутри электронных приборов фрикционной ленты или электрической изоляционной ленты - это чистая партизанщина). Так как большинство транзисторных схем работает на относительно низких постоянных напряжениях - от 15 до 30 В или около того, единственное место в большинстве электронных приборов (конечно, есть и исключения), где может стукнуть током,- это провода силового питания. Весьма коварен в этом отношении выключатель на передней панели устройства так как он близок к другой, низковольтной, проводке. Ваш измерительный прибор (в худшем случае - ваши руки) может легко вступить Б контакт с этим напряжением во время измерительных работ.

Полезные мелочи. Сигнальная лампа, обозначенная на схеме NE-51,- это неоновая лампа с понижающим резистором. Сейчас рекомендуется использовать светодиод, который работает от источника стабилизированного напряжения. Он и служит дольше и дешевле.

Цепь из последовательно соединенных резистора 100 Ом и конденсатора 0,1 мкф, поставленная параллельно первичной обмотке трансформатора, предупреждает появление больших переходных процессов индуктивного характера, которые могли бы возникать при выключении. Часто обходятся без такой цепи, но лучше этого не делать, особенно в оборудовании, которое будет работать рядом с ЭВМ или другим цифровым устройством. Иногда такие/?С-амортизаторы ставят параллельно выключателю, что то же самое.

Соответственно 220 В, 127 Вит, д,- Прим. ред.

5.11. Трансформаторы

Теперь о трансформаторе. Никогда не стройте прибора, работающего от сети переменного тока без трансформатора! Так поступать - это значит играть с огнем. Бестрансформаторные источники питания, предпочитаемые некоторыми потребителями электронной аппаратуры (радиоприемники, телевизоры и т. д.) за их дешевкзну, ставят схему под высокое напряжение по отношению к внешнему заземлению (водопроводные трубы и т. п.). Этого не должно быть в приборах, предназначенных для связи с каким-либо другим оборудованием, и вообще этого следует избегать. Будьте крайне осторожны, работая с подобным оборудованием: даже простое присоединение осциллографа к шасси может дать очень неприятный эффект.

Выбор трансформатора - это более сложное дело, чем можно было бы ожидать. -Одна из причин этого заключается в том, что изготовители долго раскачивались с выпуском трансформаторов на те значения напряжения и тока, которые подходят для транзисторных схем (каталоги забиты трансформаторами, разработанными еще для электронных ламп), и нужный вам трансформатор часто приходится мотать самому, чего вам совсем не хочется. Отличается от прочих фирма Signal Transformer Company, предлагающая большой выбор трансформаторов и быстро их поставляющая. Не проглядите возможность получить трансформаторы, сделанные на заказ, если вам их требуется больше нескольких штук.

Даже если считать, что у вас есть такой трансформатор, какой вы хотите, все равно еще надо решить, какие напряжение и ток будут для вас наилучшими. Чем меньше входное напряжение стабилизатора, тем меньше рассеяние мощности на проходном транзисторе. Но надо быть абсолютно уверенным в том, что входное напряжение стабилизатора не упадет ниже необходимого минимума - обычно от 2 до 3 В над уровнем стабилизированного напряжения,- иначе можно получить провалы стабилизированного уровня с пульсациями на удвоенной частоте сети. Здесь сказываются пульсации нестабилизированного напряжения, так как существует минимум входного напряжения для стабилизатора, превышающий некоторое критическое напряжение. Рассеяние же мощности на транзисторе определяется средним значением входного напряжения стабилизатора.

Для примера: в стабилизаторе на -Ь5 В можно иметь входное напряжение +10 В при минимуме пульсации, которая сама по себе может достигать 1-2 В. Зная напряжение во вторичной обмотке, Можно получить довольно точную оценку напряжения постоянного тока, снимаемого с выпрямительного моста: на вершине пульсации это^пик выпрямленного напряжения, приблизительно в 1,4 раза больший среднеквадратичного значения напряжения вторичной обмотки, Минус падение напряжения на двух диодах. Но все же нужно провести и практические измерения, если вы стараетесь построить стабилизатор с минимальным падением напряжения на нем, так как ис-,

тинное значение выходного напряжения нестабилизированного источника питания зависит также от параметров трансформатора которые трудно учесть заранее: сопротивление обмотки, напряжение под нагрузкой и т. д. Удостоверьтесь, что измерения производятся при наихудших условиях: полная нагрузка и минимальное напряжение питающей сети. Помните, что большие конденсаторы фильтра имеют очень большой разброс: от -30 до +100%. Есть смысл применять трансформаторы с набором входных клемм на первичной обмотке если они доступны, для окончательной регулировки выходного напряжения. Трансформаторы серий Triad F-90X и Stancor TR обладают в этом смысле большой гибкостью.

Еще одно замечание о трансформаторах: иногда расчет тока делается для эффективного тока вторичной обмотки, в частности для трансформаторов, предназначенных для работы с омической нагрузкой (например для трансформаторов накала). Так как схема выпрямителя проводит ток в течение только малой части цикла (в то время, когда конденсатор действительно заряжается), эффективное значение тока, а также рассеиваемая мощность могут превзойти допустимое значение тока нагрузки, соответствующее расчетному среднеэффек-тивному значению. Ситуация усугубится, если увеличить емкость конденсатора для сглаживания пульсаций до стабилизатора,- это просто потребует большей мощности от трансформатора. В этом отношении лучше двухполупериодный выпрямитель, поскольку он использует большую часть периода напряжения переменного тока.

5.12. Элементы схемы, работающие на постоянном токе

Конденсатор фильтра. Конденсатор фильтра выбирается достаточно большой емкости для уменьшения пульсаций до прием|1емой величины и рассчитанным на достаточное напряжение, чтобы выдержать худший вариант - отсутствие нагрузки и максимальное напряжение сети. Для схемы, изображенной иа рис. 5.16, пульсации будут составлять около 1,5 В при полной нагрузке. Из опыта проектирования можно рекомендовать ис1Юльзование электролитических конденсаторов, подобных тем, которые используются в ЭВМ (они выпускаются в виде цилиндров с резьбовым выводом с одной стороны), например типа Sprague 36D. На небольшие значения емкостей большинство изготовителей выпускают конденсаторы такого же качества в варианте о осевыми выводами (по одному проводнику торчит с каждого конца), например типа Sprague 39D. Помните о большом допуске значений емкости!

Здесь может быть полезно вернуться к разд. 1.27, где впервые обсуждался вопрос о пульсациях. Всегда, кроме случая импульсных стабилизаторов (разд. 5.21 и следующие), можно прикинуть напряжение пульсаций, считая выходной ток постоянным и равным максимальному току нагрузки. Действительно, вход подключенного к схеме стабилизатора потребляет постоянный ток, Это упрощает рас-