Zasilacz z diodą Zenera i tranzystorem

Omawiany poniżej zasilacz stabilizowany jest jednym z pierwszych urządzeń, które montują początkujący radioamatorzy. To bardzo proste, ale bardzo przydatne urządzenie. Jego montaż nie wymaga drogich komponentów, które początkujący może dość łatwo dobrać w zależności od wymaganych charakterystyk zasilacza.

Materiał będzie również przydatny dla tych, którzy chcą bardziej szczegółowo zrozumieć cel i obliczenia prostych komponentów radiowych. Między innymi poznasz szczegółowo takie elementy zasilacza jak:

• transformator;
• mostek diodowy;
• kondensator wygładzający;
• Dioda Zenera;
• rezystor do diody Zenera;
• tranzystor;
• rezystor obciążenia;
• Dioda LED i rezystor do niego.

W artykule opisano również szczegółowo, jak dobrać komponenty radiowe do swojego zasilacza i co zrobić, jeśli nie posiadasz wymaganych parametrów. Wyraźnie zostanie pokazany rozwój płytki drukowanej i ujawnione zostaną niuanse tej operacji. Kilka słów powiedziano konkretnie o sprawdzeniu podzespołów radia przed lutowaniem, a także o złożeniu urządzenia i jego przetestowaniu.

Typowy obwód zasilacza stabilizowanego

Obecnie istnieje wiele różnych obwodów zasilających ze stabilizacją napięcia. Ale jedna z najprostszych konfiguracji, od której powinien zacząć początkujący, opiera się tylko na dwóch kluczowych elementach - diodzie Zenera i mocnym tranzystorze. Oczywiście na schemacie znajdują się inne szczegóły, ale mają one charakter pomocniczy.

Obwody w elektronice radiowej są zwykle demontowane w kierunku, w którym przepływa przez nie prąd. W zasilaczu z regulacją napięcia wszystko zaczyna się od transformatora (TR1). Pełni kilka funkcji jednocześnie. Po pierwsze, transformator zmniejsza napięcie sieciowe. Po drugie, zapewnia działanie obwodu. Po trzecie, zasila urządzenie podłączone do jednostki.

Mostek diodowy (BR1) – przeznaczony do prostowania niskiego napięcia sieciowego. Innymi słowy, wchodzi do niego napięcie przemienne, a moc wyjściowa jest stała. Bez mostka diodowego ani sam zasilacz, ani urządzenia, które zostaną do niego podłączone, nie będą działać.

Aby usunąć tętnienia występujące w sieci domowej, potrzebny jest wygładzający kondensator elektrolityczny (C1). W praktyce powodują zakłócenia, które negatywnie wpływają na pracę urządzeń elektrycznych. Jeśli weźmiemy na przykład wzmacniacz audio zasilany z zasilacza bez kondensatora wygładzającego, to te same pulsacje będą wyraźnie słyszalne w głośnikach w postaci obcego szumu. W innych urządzeniach zakłócenia mogą prowadzić do nieprawidłowego działania, nieprawidłowego działania i innych problemów.

Dioda Zenera (D1) jest elementem zasilacza stabilizującym poziom napięcia.Faktem jest, że transformator wytworzy pożądane napięcie (np.) 12 V dopiero wtedy, gdy w gniazdku będzie dokładnie 230 V. Jednak w praktyce takie warunki nie występują. Napięcie może spaść lub wzrosnąć. Transformator wytworzy to samo na wyjściu. Dzięki swoim właściwościom dioda Zenera wyrównuje niskie napięcie niezależnie od przepięć w sieci. Do prawidłowego działania tego elementu wymagany jest rezystor ograniczający prąd (R1). Omówiono to bardziej szczegółowo poniżej.

Tranzystor (Q1) – potrzebny do wzmocnienia prądu. Faktem jest, że dioda Zenera nie jest w stanie przejść przez siebie całego prądu pobieranego przez urządzenie. Co więcej, będzie działać poprawnie tylko w pewnym zakresie, na przykład od 5 do 20 mA. To szczerze mówiąc za mało, aby zasilić jakiekolwiek urządzenia. Problem ten rozwiązuje mocny tranzystor, którego otwieranie i zamykanie jest kontrolowane przez diodę Zenera.

Kondensator wygładzający (C2) - przeznaczony do tego samego celu, co C1 opisany powyżej. W typowych obwodach zasilaczy stabilizowanych znajduje się także rezystor obciążający (R2). Jest to konieczne, aby obwód działał, gdy nic nie jest podłączone do zacisków wyjściowych.

W takich obwodach mogą znajdować się inne elementy. Jest to bezpiecznik umieszczony przed transformatorem i Dioda LED, sygnalizującą włączenie urządzenia, oraz dodatkowe kondensatory wygładzające, kolejny tranzystor wzmacniający i przełącznik. Wszystkie komplikują obwód, jednak zwiększają funkcjonalność urządzenia.

Obliczanie i dobór elementów radiowych do prostego zasilania

Transformator dobiera się według dwóch głównych kryteriów - napięcia i mocy uzwojenia wtórnego.Istnieją inne parametry, ale w ramach materiału nie są one szczególnie ważne. Jeśli potrzebujesz zasilania, powiedzmy 12 V, należy wybrać transformator, aby można było usunąć nieco więcej z jego uzwojenia wtórnego. Z mocą wszystko jest takie samo - bierzemy to z niewielkim marginesem.

Głównym parametrem mostka diodowego jest maksymalny prąd, jaki może przepuścić. Na tej cesze warto się skupić w pierwszej kolejności. Spójrzmy na przykłady. Blok będzie służył do zasilania urządzenia pobierającego prąd o natężeniu 1 A. Oznacza to, że mostek diodowy należy pobrać na około 1,5 A. Załóżmy, że planujesz zasilać urządzenie 12 V o mocy 30 W. Oznacza to, że pobór prądu wyniesie około 2,5 A. W związku z tym mostek diodowy musi wynosić co najmniej 3 A. Jego inne cechy (maksymalne napięcie itp.) Można pominąć w ramach tak prostego obwodu.

Dodatkowo warto powiedzieć, że nie trzeba brać gotowego mostka diodowego, tylko złożyć go z czterech diod. W takim przypadku każdy z nich musi być zaprojektowany na prąd przepływający przez obwód.

Aby obliczyć pojemność kondensatora wygładzającego, stosuje się dość złożone wzory, które w tym przypadku nie mają zastosowania. Zwykle przyjmuje się pojemność 1000-2200 uF, co wystarczy dla prostego zasilacza. Możesz wziąć większy kondensator, ale znacznie zwiększy to koszt produktu. Kolejnym ważnym parametrem jest napięcie maksymalne. Zgodnie z nim kondensator dobiera się w zależności od tego, jakie napięcie będzie obecne w obwodzie.

Tutaj warto wziąć pod uwagę, że w odcinku pomiędzy mostkiem diodowym a diodą Zenera po włączeniu kondensatora wygładzającego napięcie będzie o około 30% wyższe niż na zaciskach transformatora.Oznacza to, że jeśli wykonujesz zasilacz 12 V, a transformator wytwarza 15 V z rezerwą, to w tej sekcji ze względu na działanie kondensatora wygładzającego będzie około 19,5 V. W związku z tym musi być do tego zaprojektowany napięcie (najbliższa wartość standardowa 25 V).

Drugi kondensator wygładzający w obwodzie (C2) jest zwykle pobierany z małą pojemnością - od 100 do 470 μF. Napięcie w tej części obwodu zostanie już ustabilizowane, na przykład do poziomu 12 V. W związku z tym należy do tego zaprojektować kondensator (najbliższa standardowa wartość znamionowa to 16 V).

Ale co zrobić, jeśli kondensatory o wymaganych wartościach nie są dostępne, a nie chcesz iść do sklepu (lub po prostu nie chcesz ich kupować)? W takim przypadku całkiem możliwe jest zastosowanie równoległego połączenia kilku kondensatorów o mniejszej pojemności. Warto wziąć pod uwagę, że maksymalne napięcie robocze przy takim połączeniu nie będzie sumowane!

Diodę Zenera dobieramy w zależności od tego, jakie napięcie potrzebujemy uzyskać na wyjściu zasilacza. Jeśli nie ma odpowiedniej wartości, możesz połączyć kilka elementów szeregowo. Ustabilizowane napięcie zostanie zsumowane. Weźmy dla przykładu sytuację, w której potrzebujemy uzyskać 12 V, ale dostępne są tylko dwie diody Zenera 6 V. Łącząc je szeregowo uzyskamy pożądane napięcie. Warto zauważyć, że aby uzyskać średnią ocenę, połączenie dwóch diod Zenera równolegle nie zadziała.

Rezystor ograniczający prąd dla diody Zenera można wybrać tak dokładnie, jak to możliwe, tylko eksperymentalnie.Aby to zrobić, rezystor o wartości nominalnej około 1 kOhm jest podłączony do już działającego obwodu (na przykład na płycie prototypowej), a między nim a diodą Zenera w obwodzie otwartym umieszcza się amperomierz i rezystor zmienny. Po włączeniu obwodu należy obracać pokrętło rezystora zmiennego, aż wymagany znamionowy prąd stabilizujący przepłynie przez odcinek obwodu (wskazany w charakterystyce diody Zenera).

Tranzystor wzmacniający dobiera się według dwóch głównych kryteriów. Po pierwsze, dla rozważanego obwodu musi to być struktura n-p-n. Po drugie, w charakterystyce istniejącego tranzystora należy zwrócić uwagę na maksymalny prąd kolektora. Powinien być nieco większy od maksymalnego prądu, na jaki będzie projektowany zmontowany zasilacz.

Rezystor obciążający w typowych obwodach przyjmuje się o wartości nominalnej od 1 kOhm do 10 kOhm. Nie należy przyjmować mniejszego oporu, ponieważ jeśli zasilacz nie zostanie obciążony, przez ten rezystor przepłynie za duży prąd i ulegnie on przepaleniu.

Projektowanie i produkcja PCB

Przyjrzyjmy się teraz krótko wyraźnemu przykładowi opracowania i montażu stabilizowanego zasilacza własnymi rękami. Przede wszystkim musisz znaleźć wszystkie elementy obecne w obwodzie. Jeśli nie ma kondensatorów, rezystorów lub diod Zenera o wymaganych wartościach, wychodzimy z sytuacji, stosując metody opisane powyżej.

Następnie będziemy musieli zaprojektować i wyprodukować płytkę drukowaną dla naszego urządzenia. Dla początkujących najlepiej jest skorzystać z prostego i co najważniejsze darmowego oprogramowania, takiego jak Sprint Layout.

Wszystkie komponenty umieszczamy na wirtualnej płytce zgodnie z wybranym obwodem. Optymalizujemy ich lokalizację i dostosowujemy w zależności od tego, jakie konkretne części są dostępne.Na tym etapie warto jeszcze raz sprawdzić rzeczywiste wymiary elementów i porównać je z wymiarami dodanymi do opracowanego układu. Zwróć szczególną uwagę na polaryzację kondensatorów elektrolitycznych, położenie zacisków tranzystora, diody Zenera i mostka diodowego.

Jeśli chcesz dodać sygnał do zasilacza Dioda LED, wówczas można go włączyć do obwodu zarówno przed diodą Zenera, jak i po (najlepiej). Aby wybrać dla niego rezystor ograniczający prąd, należy wykonać następujące obliczenia. Od napięcia odcinka obwodu odejmujemy spadek napięcia na diodzie LED i dzielimy wynik przez prąd znamionowy jej zasilania. Przykład. Na terenie do którego planujemy podłączyć sygnał Dioda LED, jest stabilizowane 12 V. Spadek napięcia dla standardu Diody LED około 3 V, a znamionowy prąd zasilania wynosi 20 mA (0,02 A). Stwierdzamy, że rezystancja rezystora ograniczającego prąd wynosi R = 450 omów.

Sprawdzenie podzespołów i montaż zasilacza

Po wywołaniu płytki w programie przenosimy ją na laminat z włókna szklanego, trawimy, cynujemy ścieżki i usuwamy nadmiar topnika.

Następnie instalujemy komponenty radiowe. W tym miejscu warto powiedzieć, że nie byłoby błędem natychmiastowe ponowne sprawdzenie ich działania, zwłaszcza jeśli nie są nowe. Jak i co sprawdzić?

Uzwojenia transformatora sprawdza się za pomocą omomierza. Tam, gdzie rezystancja jest większa, znajduje się uzwojenie pierwotne. Następnie należy podłączyć go do sieci i upewnić się, że wytwarza wymagane obniżone napięcie. Podczas pomiaru należy zachować szczególną ostrożność. Należy również pamiętać, że napięcie wyjściowe jest zmienne, dlatego na woltomierzu włącza się odpowiedni tryb.

Rezystory sprawdza się omomierzem. Dioda Zenera powinna „dzwonić” tylko w jednym kierunku. Sprawdzamy mostek diodowy zgodnie ze schematem.Wbudowane w niego diody muszą przewodzić prąd tylko w jednym kierunku. Aby przetestować kondensatory, będziesz potrzebować specjalnego urządzenia do pomiaru pojemności elektrycznej. W tranzystorze n-p-n prąd musi płynąć od bazy do emitera i kolektora. Nie powinien płynąć w innych kierunkach.

Montaż najlepiej rozpocząć od małych części - rezystorów, diody Zenera, diody LED. Następnie wlutowuje się kondensatory i mostek diodowy.

Zwróć szczególną uwagę na proces instalowania mocnego tranzystora. Jeśli pomylisz wnioski, obwód nie będzie działać. Ponadto element ten nagrzewa się dość mocno pod obciążeniem, dlatego należy go zamontować na grzejniku.

Największa część jest instalowana jako ostatnia - transformator. Następnie wtyczka zasilająca z przewodem jest przylutowana do zacisków uzwojenia pierwotnego. Przewody wyprowadzone są także na wyjściu zasilacza.

Pozostaje tylko dokładnie sprawdzić poprawność montażu wszystkich komponentów, zmyć pozostały strumień i włączyć zasilanie sieci. Jeśli wszystko zostanie wykonane poprawnie, dioda LED zaświeci się i sygnał wyjściowy multimetr pokaże żądane napięcie.