Предлагаемый стабилизатор напряжения предназначен для питания устройств в радиолюбительской лаборатории в процессе их налаживания. Обычно для этой цели используют лабораторный блок питания с плавной регулировкой выходного напряжения. Однако плавная регулировка необходима не всегда — во многих случаях допустима ступенчатая регулировка напряжения. Нагрузка стабилизатора защищена не только от превышения потребляемого тока, но и от бросков напряжения питания.
Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 15 В, которое можно изменять с шагом 1 В. Максимальный ток нагрузки — 0,5 А, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен до 7 А. Напряжение питания стабилизатора может быть нестабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18...25 В при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.
Схема стабилизатора (основного блока устройства) показана на рис. 1. Устройство содержит следующие узлы: стабилизатор напряжения питания цифровых микросхем DA1; цифровой формирователь кода выходного напряжения DD1, DD2, VD1, С3, R1—R4; цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на прецизионных резисторах R7—R10; выходной усилитель DA2.1, VT2, R11, R12 и узел токовой защиты R5, R6, VD2, VT1, R13, R14. Микросхема DA1 вырабатывает стабильное напряжение 6 В, используемое для питания цифровых микросхем DD1 и DD2. Цифровой код выходного напряжения формирует двоичный реверсивный счетчик импульсов DD2. Импульсы поступают на счетчик с генератора на элементе DD1.4. Направление счета определяет состояние RS-триггера на элементах DD1.2 и DD1.3. Когда на входе U микросхемы DD2 высокий уровень, счетчик работает в режиме сложения, в противном случае — в режиме вычитания.
Элемент DD1.1 управляет генератором импульсов. Если ни одна из кнопок SB1 и SB2 не нажата, низкий уровень на выходе этого элемента через резистор R3 и диод VD1 препятствует зарядке конденсатора С3 до порога переключения триггера Шмитта, в результате чего генерация импульсов невозможна. Состояние счетчика DD2 (число N) не изменяется.
Отношение значений сопротивления резисторов ЦАП R7:R8:R9:R10 — 8:4:2:1. Поэтому напряжение в точке их соединения и, соответственно, на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 равно N·U1/15, где U1 — напряжение питания микросхемы DD2. Отношение R12/R11 в цепи ООС выбрано так, чтобы коэффициент усиления ОУ DA2.1 и транзистора VT2 был равен 2,5. Поэтому выходное напряжение равно N вольт при условии, что U1=6 В.
При нажатии на кнопку SB1 "+" (режим увеличения напряжения) низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.3 устанавливает RS-триггер в единичное состояние (на выходе этого элемента и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 — высокий уровень), переключая счетчик в режим сложения. Одновременно низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.1 приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс увеличивает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В.
Если нажать на кнопку SB2 "-" (режим уменьшения напряжения), низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 устанавливает RS-триггер в нулевое состояние (на выходе элемента DD1.3 и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 — низкий уровень), переключая счетчик в режим вычитания. Одновременно низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 аналогично приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс уменьшает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В. Когда состояние N счетчика достигнет нуля, на выходе Р микросхемы DD2 появится низкий уровень. Поскольку этот выход соединен с нижним по схеме входом элемента DD1.4, то работа генератора будет приостановлена. Поэтому опасный для нагрузки переход от нулевого напряжения к максимальному запрещен. Возобновить работу генератора можно лишь нажатием на кнопку SB1.
Аналогично запрещен бросок от максимального до нуля в режиме увеличения напряжения. После достижения максимального значения 15 В генерация импульсов также приостановлена, ее можно возобновить только нажатием на кнопку SB2.
Работа устройства не предусмотрена в случае, когда нажаты обе кнопки SB1 и SB2. Однако этот случай для устройства не опасен. На выходах элементов DD1.1 и DD1.3 будут те же логические уровни, что и при одной нажатой кнопке SB1. Следовательно, кнопка SB1 приоритетнее: если она нажата, состояние кнопки SB2 не имеет значения.
Если ток, потребляемый нагрузкой, достигнет порога срабатывания узла защиты, падение напряжения на резисторе R14 превысит напряжение открывания транзистора VT1, напряжение на входе R микросхемы DD2 достигнет высокого логического уровня и вызовет обнуление счетчика, соответственно, выходное напряжение упадет до нуля. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение на входе R до уровня, не превышающего напряжение питания счетчика DD2.
Стабилизатор смонтирован на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2.
Состояние N счетчика и, соответственно, выходное напряжение отображает блок индикации, схема которого показана на рис. 3. Блок содержит собственный стабилизатор напряжения DA1, цифровой компаратор на элементах DD1.1—DD1.3, сумматор DD2, 7-элементные светодиодные индикаторы HG1 и HG2, первым из которых управляет транзистор VT1, а вторым — дешифратор DD3.
Входы 1, 2, 4, 8 блока индикации соединяют с соответствующими выходами счетчика DD2 (см. рис. 1). Двоичный код N выходного напряжения поступает на вход А четырехразрядного сумматора DD2. Цифровой компаратор, собранный на элементах DD1.1—DD1.3, анализирует значение N.
Если N меньше 10, на выходе компаратора (выход элемента DD1.3) низкий уровень. Двоичный код второго слагаемого (входы В сумматора DD2) равен 0, поэтому число на выходе сумматора также равно N. Именно его отображает индикатор HG2. Транзистор VT1 закрыт, индикатор HG1 погашен.
Если N больше или равно 10, на выходе компаратора присутствует высокий уровень. Двоичный код второго слагаемого (входы В сумматора DD2) равен 6, поэтому число на выходе сумматора — N+6, что для четырехразрядного двоичного кода равно N-10. Это число (младший десятичный разряд) отображает индикатор HG2. Транзистор VT1 открыт, индикатор HG1 отображает старший десятичный разряд, равный 1.
Блок индикации смонтирован на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 4.
В стабилизаторе (см. рис. 1) применены прецизионные резисторы R7—R12 С2-29В-0,125 с допустимым отклонением номинального сопротивления не более 0,5 %. Резистор R7 составлен из двух, сопротивлением по 20 кОм, соединенных последовательно. Резистор R10 — из двух, сопротивлением по 10 кОм, соединенных параллельно. Сопротивление резистора R14 должно быть обратно пропорционально максимальному току нагрузки, а его мощность рассеяния — прямо пропорциональна этому току. На схеме указано сопротивление и мощность этого резистора для максимального тока нагрузки 0,5 А. Все остальные резисторы, в том числе в блоке индикации, могут быть любыми с допуском ±20 %. Конденсатор СЗ (см. рис. 1) — любой пленочный или керамический. Остальные конденсаторы — любые оксидные малогабаритные, имеющие емкость и номинальное напряжение не меньше указанных на схемах.
Транзистор КТ361В (VT1 на рис.1) заменим на КТ361Г—КТ361Е, КТ501Г—КТ501М, КТ502В—КТ502Е. Транзистор КТ829Г (VT2 на рис. 1) допустимо заменить транзистором той же серии с другим буквенным индексом или любым из серии КТ827. В последнем случае его монтируют отдельно и соединяют с платой отрезками многожильного провода, максимальный ток нагрузки при этом может достигать 15...18 А. Транзистор VT2 устанавливают на теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности не менее 200 см2. Все сильноточные соединения должны быть выполнены проводом соответствующего сечения (не менее 0,5 мм2 на ампер).
Диод VD1 — любой из серий КД521, КД522. Стабилитрон VD2 — любой с напряжением стабилизации 4...6 В при токе 6...8 мА. Его можно не устанавливать, если подобрать сопротивление резисторов R5 и R6 так, чтобы при открытом транзисторе VT1 напряжение на входе 9 микросхемы DD2 находилось в указанных выше пределах при изменении напряжения питания стабилизатора от 18 до 25 В.
Микросхема КР1157ЕН602А (DA1 на рис. 1) заменима стабилизатором этой серии с индексом Б, а также микросхемой серии КР1157ЕН601, но у последней иная цоколевка ("Радио", 1999, № 2, с. 69), поэтому придется изменить рисунок печатной платы. Микросхему КР1040УД1 (DA2) можно заменить на КР1464УД1Р или на LM358 в корпусе DIP-8.
Микросхемы К561ЛА7 (DD1) и К561ИМ1 (DD2) блока индикации (см. рис. 3) можно заменить аналогичными из серии К176. Транзистор VT1 может быть любым из серии КТ972. Этот транзистор — составной с большим коэффициентом передачи тока базы. В случае отсутствия такого прибора его можно заменить парой транзисторов серии КТ315 (с индексами Б, Г, Е), соединенных по схеме Дарлингтона, или даже одним, подобрав его по коэффициенту передачи тока базы так, чтобы обеспечить требуемую яркость свечения индикатора HG1 без заметного нагревания транзистора. Светодиодные индикаторы HG1 и HG2 — любые 7-элементные одноразрядные с общим катодом, но при использовании индикаторов других серий может потребоваться изменение рисунка печатной платы.
Микросхема КР142ЕН5Б (DA1 на рис. 3) заменима стабилизатором этой серии с индексом Г, а также микросхемами КР1180ЕН6А, КР1180ЕН6Б, 7806, 78М06 (их цоколевки совпадают). Напряжение стабилизации этой микросхемы не должно быть меньше напряжения стабилизации микросхемы DA1 основного блока, чтобы напряжение на входах микросхем блока индикации DD1 и DD2 не превышало их напряжение питания. Допустимо питать основной блок от микросхемы DA1 блока индикации, соединив ее выход с плюсовым выводом конденсатора С2 на рис. 1 и исключив из основного блока элементы С1 и DA1. Но в этом случае точность уровней выходного напряжения будет ниже.
Устройство не требует налаживания, если использованы исправные детали и монтаж выполнен без ошибок. Однако его следует проверить для гарантии нормальной работы. Вначале проверяют основной блок без его соединения с входами блока индикации. Следует убедиться в срабатывании токовой защиты. При замыкании коллектора и эмиттера транзистора VT1 выходное напряжение должно упасть до нуля. Затем подбирают резистор R14, чтобы установить требуемый порог срабатывания токовой защиты. Если напряжение стабилизации микросхемы DA1 отличается от 6 В, то выходные напряжения будут отличаться от расчетных. В этом случае корректируют сопротивление резистора R12 или R11. Необходимо также убедиться, что при нажатии на кнопку SB2 не происходит скачка выходного напряжения от 0 до 15 В. Частота генерации импульсов обратно пропорциональна произведению R4·C3. Изменить частоту можно, выбрав другие номиналы этих элементов.
Затем проверяют блок индикации, подключив его входы к выходам счетчика DD2. Изменяют выходное напряжение, измеряя его цифровым вольтметром. Число, отображаемое индикаторами, должно соответствовать показаниям вольтметра. Яркость свечения индикаторов можно изменить, подбирая резисторы R2 и R3.
Если подключить прецизионный резистор сопротивлением 3 кОм параллельно резистору R12 (см. рис. 1), то выходное напряжение будет изменяться от О до 7,5 В с шагом 0,5 В, а блок индикации — показывать его удвоенное значение. В этом случае для увеличения КПД напряжение питания предлагаемого устройства целесообразно уменьшить до 12...15 В.
Блок индикации использовать не обязательно, но при его отсутствии напряжение на выходе стабилизатора необходимо постоянно контролировать вольтметром.
Если нагрузка не выдерживает максимального выходного напряжения, необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы не повредить ее. Вначале включают стабилизатор без нагрузки и с помощью кнопок SB1 и SB2 устанавливают нужное выходное напряжение. Лишь затем подключают нагрузку. Повышать выходное напряжение кнопкой SB1 следует осторожно. Перед каждым нажатием на эту кнопку необходимо подсчитать новое значение напряжения и убедиться, что оно находится в допустимых пределах.
РАДИО № 5, 2005
