Захранване с ценеров диод и транзистор

Стабилизираното захранване, разгледано по-долу, е едно от първите устройства, които се сглобяват от начинаещи радиолюбители. Това е много просто, но много полезно устройство. Сглобяването му не изисква скъпи компоненти, които са доста лесни за начинаещ за избор в зависимост от необходимите характеристики на захранването.

Материалът ще бъде полезен и за тези, които искат да разберат по-подробно предназначението и изчисляването на прости радиокомпоненти. Включително ще научите подробно за такива компоненти на захранването като:

• силов трансформатор;
• диоден мост;
• изглаждащ кондензатор;
• Ценеров диод;
• резистор за ценеров диод;
• транзистор;
• товарно съпротивление;
• Светодиод и резистор за него.

Статията също така описва подробно как да изберете радиокомпоненти за вашето захранване и какво да направите, ако нямате необходимия рейтинг. Ще бъде ясно показано разработването на печатна платка и ще бъдат разкрити нюансите на тази операция. Няколко думи се казват специално за проверката на радиокомпонентите преди запояване, както и за сглобяването на устройството и тестването му.

Типична схема на стабилизирано захранване

Днес има много различни схеми за захранване със стабилизиране на напрежението. Но една от най-простите конфигурации, с които начинаещият трябва да започне, е изградена само върху два ключови компонента - ценеров диод и мощен транзистор. Естествено в диаграмата има и други подробности, но те са спомагателни.

Веригите в радиоелектрониката обикновено се разглобяват в посоката, в която протича токът през тях. При захранване с регулиране на напрежението всичко започва с трансформатора (TR1). Той изпълнява няколко функции наведнъж. Първо, трансформаторът намалява мрежовото напрежение. На второ място, той осигурява работата на веригата. Трето, той захранва устройството, което е свързано към устройството.

Диоден мост (BR1) – предназначен за изправяне на ниско мрежово напрежение. С други думи, в него влиза променливо напрежение, а изходът е постоянен. Без диоден мост нито самото захранване, нито устройствата, които ще бъдат свързани към него, няма да работят.

Необходим е изглаждащ електролитен кондензатор (C1), за да се премахнат пулсациите, присъстващи в домакинската мрежа. На практика те създават смущения, които се отразяват негативно на работата на електрическите уреди. Ако, например, вземем аудио усилвател, захранван от захранване без изглаждащ кондензатор, тогава същите тези пулсации ще бъдат ясно чути в високоговорителите под формата на външен шум. В други устройства смущенията могат да доведат до неправилна работа, неизправности и други проблеми.

Ценеровият диод (D1) е компонент на захранването, който стабилизира нивото на напрежение.Факт е, че трансформаторът ще произведе желаните 12 V (например) само когато в контакта има точно 230 V. На практика обаче такива условия не съществуват. Напрежението може да падне или да се повиши. Трансформаторът ще произведе същото на изхода. Благодарение на свойствата си ценеровият диод изравнява ниското напрежение независимо от пренапреженията в мрежата. За правилната работа на този компонент е необходим токоограничаващ резистор (R1). Той е разгледан по-подробно по-долу.

Транзистор (Q1) – необходим за усилване на тока. Факт е, че ценеровият диод не е в състояние да премине през себе си целия ток, консумиран от устройството. Освен това той ще работи правилно само в определен диапазон, например от 5 до 20 mA. Това откровено не е достатъчно за захранване на устройства. Този проблем се решава от мощен транзистор, чието отваряне и затваряне се управлява от ценеров диод.

Изглаждащ кондензатор (C2) - предназначен за същото нещо като C1, описано по-горе. В типичните схеми на стабилизирани захранващи устройства има и товарен резистор (R2). Това е необходимо, така че веригата да остане работеща, когато нищо не е свързано към изходните клеми.

Други компоненти могат да присъстват в такива вериги. Това е предпазител, който се поставя пред трансформатора и Светодиод, сигнализиращ, че устройството е включено, и допълнителни изглаждащи кондензатори, и друг усилващ транзистор, и ключ. Всички те усложняват веригата, но увеличават функционалността на устройството.

Изчисляване и избор на радиокомпоненти за просто захранване

Трансформаторът се избира по два основни критерия - напрежение и мощност на вторичната намотка.Има и други параметри, но в рамките на материала те не са особено важни. Ако имате нужда от захранване, да речем, 12 V, тогава трансформаторът трябва да бъде избран така, че да може да се отстрани малко повече от неговата вторична намотка. С мощността всичко е същото - вземаме го с малък марж.

Основният параметър на диодния мост е максималният ток, който може да премине. Първо си струва да се съсредоточите върху тази характеристика. Нека да разгледаме примерите. Блокът ще се използва за захранване на устройство, което консумира ток от 1 A. Това означава, че диодният мост трябва да бъде взет на приблизително 1,5 A. Да речем, че планирате да захранвате 12-волтово устройство с мощност 30 W. Това означава, че консумацията на ток ще бъде около 2,5 A. Съответно диодният мост трябва да бъде най-малко 3 A. Другите му характеристики (максимално напрежение и т.н.) могат да бъдат пренебрегнати в рамките на такава проста схема.

Освен това си струва да се каже, че не е нужно да вземете готов диоден мост, а да го сглобите от четири диода. В този случай всеки от тях трябва да бъде проектиран за тока, преминаващ през веригата.

За изчисляване на капацитета на изглаждащия кондензатор се използват доста сложни формули, които в този случай са безполезни. Обикновено се взема капацитет от 1000-2200 uF и това ще бъде напълно достатъчно за просто захранване. Можете да вземете по-голям кондензатор, но това значително ще увеличи цената на продукта. Друг важен параметър е максималното напрежение. Според него кондензаторът се избира в зависимост от това какво напрежение ще има във веригата.

Тук си струва да се има предвид, че в сегмента между диодния мост и ценеровия диод, след включване на изглаждащия кондензатор, напрежението ще бъде приблизително 30% по-високо, отколкото на клемите на трансформатора.Тоест, ако правите захранване от 12 V и трансформаторът произвежда 15 V с резерв, тогава в тази секция поради работата на изглаждащия кондензатор ще има приблизително 19,5 V. Съответно, той трябва да бъде проектиран за това напрежение (най-близката стандартна стойност 25 V).

Вторият изглаждащ кондензатор във веригата (C2) обикновено се приема с малък капацитет - от 100 до 470 μF. Напрежението в този участък от веригата вече ще бъде стабилизирано, например, до ниво от 12 V. Съответно, кондензаторът трябва да бъде проектиран за това (най-близкият стандартен рейтинг е 16 V).

Но какво да направите, ако кондензаторите с необходимите рейтинги не са налични и не искате да отидете в магазина (или просто не искате да ги купите)? В този случай е напълно възможно да се използва паралелно свързване на няколко кондензатора с по-малък капацитет. Струва си да се има предвид, че максималното работно напрежение с такава връзка няма да бъде сумирано!

Ценер диодът се избира в зависимост от това какво напрежение трябва да получим на изхода на захранването. Ако няма подходяща стойност, тогава можете да свържете няколко части последователно. Стабилизираното напрежение ще бъде сумирано. Например, нека вземем ситуация, в която трябва да получим 12 V, но има само два налични ценерови диода 6 V. Свързвайки ги последователно, ще получим желаното напрежение. Струва си да се отбележи, че за да се получи средната оценка, свързването на два ценерови диода паралелно няма да работи.

Възможно е да изберете резистор за ограничаване на тока за ценеров диод възможно най-точно само експериментално.За да направите това, резистор с номинална стойност от приблизително 1 kOhm се свързва към вече работеща верига (например на макет), а амперметър и променлив резистор се поставят между него и ценеровия диод в отворената верига. След като включите веригата, трябва да завъртите копчето на променливия резистор, докато необходимият номинален стабилизиращ ток тече през секцията на веригата (посочена в характеристиките на ценеровия диод).

Усилващият транзистор се избира по два основни критерия. Първо, за разглежданата верига тя трябва да бъде n-p-n структура. Второ, в характеристиките на съществуващия транзистор трябва да разгледате максималния ток на колектора. Той трябва да бъде малко по-голям от максималния ток, за който ще бъде проектирано сглобеното захранване.

Товарният резистор в типичните схеми се взема с номинална стойност от 1 kOhm до 10 kOhm. Не трябва да вземате по-малко съпротивление, тъй като ако захранването не е натоварено, през този резистор ще тече твърде много ток и той ще изгори.

Проектиране и производство на печатни платки

Сега нека разгледаме накратко ясен пример за разработване и сглобяване на стабилизирано захранване със собствените си ръце. На първо място, трябва да намерите всички компоненти, присъстващи във веригата. Ако няма кондензатори, резистори или ценерови диоди с необходимите рейтинги, излизаме от ситуацията, като използваме методите, описани по-горе.

След това ще трябва да проектираме и произведем печатна платка за нашето устройство. За начинаещи е най-добре да използвате прост и най-важното безплатен софтуер, като Sprint Layout.

Поставяме всички компоненти на виртуалната платка според избраната схема. Оптимизираме местоположението им и ги коригираме в зависимост от наличните конкретни части.На този етап се препоръчва да проверите отново действителните размери на компонентите и да ги сравните с тези, добавени към разработената схема. Обърнете специално внимание на полярността на електролитните кондензатори, местоположението на клемите на транзистора, ценеров диод и диоден мост.

Ако искате да добавите сигнал към захранването Светодиод, тогава той може да бъде включен във веригата както преди ценеровия диод, така и след (за предпочитане). За да изберете резистор за ограничаване на тока за него, трябва да извършите следното изчисление. От напрежението на секцията на веригата изваждаме спада на напрежението върху светодиода и разделяме резултата на номиналния ток на неговото захранване. Пример. В района, към който планираме да свържем сигнала Светодиод, има стабилизирано 12 V. Пад на напрежение за стандарт светодиоди около 3 V, а номиналният захранващ ток е 20 mA (0,02 A). Откриваме, че съпротивлението на резистора за ограничаване на тока е R = 450 ома.

Проверка на компоненти и монтаж на захранването

След като развием платката в програмата, ние я прехвърляме върху фибростъкло, ецваме, калайдисваме пистите и премахваме излишния флюс.

След това инсталираме радиокомпонентите. Тук си струва да се каже, че не би било излишно незабавно да проверите отново тяхната ефективност, особено ако не са нови. Как и какво да проверявам?

Намотките на трансформатора се проверяват с омметър. Където съпротивлението е по-голямо е първичната намотка. След това трябва да го включите в мрежата и да се уверите, че произвежда необходимото намалено напрежение. Бъдете изключително внимателни, когато го измервате. Също така имайте предвид, че изходното напрежение е променливо, така че съответният режим е включен на волтметъра.

Резисторите се проверяват с омметър. Ценеровият диод трябва да "звъни" само в една посока. Проверяваме диодния мост според диаграмата.Вградените в него диоди трябва да провеждат ток само в една посока. За да тествате кондензатори, ще ви е необходимо специално устройство за измерване на електрически капацитет. В n-p-n транзистор токът трябва да тече от основата към емитера към колектора. Не трябва да тече в други посоки.

Най-добре е да започнете монтажа с малки части - резистори, ценеров диод, светодиод. След това се запояват кондензаторите и диодният мост.

Обърнете специално внимание на процеса на инсталиране на мощен транзистор. Ако объркате заключенията му, веригата няма да работи. Освен това този компонент ще се нагрее доста при натоварване, така че трябва да се монтира на радиатор.

Най-голямата част е монтирана последна - трансформаторът. След това захранващ щепсел с проводник е запоен към клемите на първичната му намотка. Предвидени са и проводници на изхода на захранването.

Остава само да проверите внимателно правилната инсталация на всички компоненти, да измиете остатъчния поток и да включите захранването към мрежата. Ако всичко е направено правилно, светодиодът ще свети и изходът мултиметър ще покаже желаното напрежение.