Napájanie so zenerovou diódou a tranzistorom

Stabilizovaný napájací zdroj diskutovaný nižšie je jedným z prvých zariadení, ktoré zostavujú začínajúci rádioamatéri. Toto je veľmi jednoduché, ale veľmi užitočné zariadenie. Jeho montáž nevyžaduje drahé komponenty, ktoré si začiatočník ľahko vyberie v závislosti od požadovaných vlastností napájacieho zdroja.

Materiál bude užitočný aj pre tých, ktorí chcú podrobnejšie pochopiť účel a výpočet jednoduchých rádiových komponentov. Vrátane podrobností sa dozviete o takých komponentoch napájacieho zdroja, ako sú:

• výkonový transformátor;
• diódový mostík;
• vyhladzovací kondenzátor;
• Zenerova dióda;
• rezistor pre zenerovu diódu;
• tranzistor;
• zaťažovací odpor;
• Dióda vyžarujúca svetlo a odpor k tomu.

Článok tiež podrobne popisuje, ako vybrať rádiové komponenty pre váš napájací zdroj a čo robiť, ak nemáte požadovaný výkon. Jasne sa ukáže vývoj dosky s plošnými spojmi a odhalia sa nuansy tejto operácie. Niekoľko slov je konkrétne povedané o kontrole rádiových komponentov pred spájkovaním, ako aj o zostavení zariadenia a jeho testovaní.

Typický obvod stabilizovaného napájacieho zdroja

V súčasnosti existuje množstvo rôznych napájacích obvodov so stabilizáciou napätia. Ale jedna z najjednoduchších konfigurácií, s ktorou by mal začiatočník začať, je postavená len na dvoch kľúčových komponentoch – zenerovej dióde a výkonnom tranzistore. Prirodzene, v diagrame sú ďalšie podrobnosti, ale sú pomocné.

Obvody v rádiovej elektronike sa zvyčajne rozoberajú v smere, v ktorom cez ne preteká prúd. V napäťovo regulovanom zdroji to všetko začína transformátorom (TR1). Vykonáva niekoľko funkcií naraz. Po prvé, transformátor znižuje napätie v sieti. Po druhé, zabezpečuje prevádzku okruhu. Po tretie, napája zariadenie, ktoré je pripojené k jednotke.

Diódový mostík (BR1) – určený na usmernenie nízkeho sieťového napätia. Inými slovami, vstupuje do neho striedavé napätie a výstup je konštantný. Bez diódového mostíka nebude fungovať samotný zdroj ani zariadenia, ktoré budú k nemu pripojené.

Na odstránenie zvlnenia v domácej sieti je potrebný vyhladzovací elektrolytický kondenzátor (C1). V praxi vytvárajú rušenie, ktoré negatívne ovplyvňuje prevádzku elektrických spotrebičov. Ak napríklad vezmeme audio zosilňovač napájaný z napájacieho zdroja bez vyhladzovacieho kondenzátora, potom budú tieto isté pulzácie zreteľne počuteľné v reproduktoroch vo forme cudzieho hluku. V iných zariadeniach môže rušenie viesť k nesprávnej prevádzke, poruchám a iným problémom.

Zenerova dióda (D1) je komponent napájacieho zdroja, ktorý stabilizuje úroveň napätia.Faktom je, že transformátor vyrobí požadovaných 12 V (napríklad) len vtedy, keď je v zásuvke presne 230 V. V praxi však takéto podmienky neexistujú. Napätie môže klesať alebo stúpať. Transformátor bude produkovať to isté na výstupe. Zenerova dióda vďaka svojim vlastnostiam vyrovnáva nízke napätie bez ohľadu na prepätia v sieti. Pre správnu funkciu tohto komponentu je potrebný odpor obmedzujúci prúd (R1). Podrobnejšie sa to rozoberá nižšie.

Tranzistor (Q1) – potrebný na zosilnenie prúdu. Faktom je, že zenerova dióda nie je schopná prejsť cez seba všetok prúd spotrebovaný zariadením. Okrem toho bude správne fungovať iba v určitom rozsahu, napríklad od 5 do 20 mA. To úprimne nestačí na napájanie akýchkoľvek zariadení. Tento problém rieši výkonný tranzistor, ktorého otváranie a zatváranie riadi zenerova dióda.

Vyhladzovací kondenzátor (C2) - určený pre to isté ako C1 opísaný vyššie. V typických obvodoch stabilizovaných napájacích zdrojov je tiež zaťažovací odpor (R2). Je to potrebné, aby obvod zostal funkčný, keď nie je nič pripojené k výstupným svorkám.

V takýchto obvodoch môžu byť prítomné ďalšie komponenty. Ide o poistku, ktorá je umiestnená pred transformátorom, a Dióda vyžarujúca svetlo, signalizujúce, že jednotka je zapnutá, a ďalšie vyhladzovacie kondenzátory a ďalší zosilňovací tranzistor a spínač. Všetky komplikujú obvod, ale zvyšujú funkčnosť zariadenia.

Výpočet a výber rádiových komponentov pre jednoduché napájanie

Transformátor sa vyberá podľa dvoch hlavných kritérií - napätia a výkonu sekundárneho vinutia.Existujú aj iné parametre, ale v rámci materiálu nie sú obzvlášť dôležité. Ak potrebujete napájanie, povedzme, 12 V, potom je potrebné vybrať transformátor tak, aby sa z jeho sekundárneho vinutia dalo odobrať trochu viac. S výkonom je všetko rovnaké - berieme to s malou rezervou.

Hlavným parametrom diódového mostíka je maximálny prúd, ktorý môže prejsť. Táto charakteristika stojí za to zamerať sa ako prvá. Pozrime sa na príklady. Blok poslúži na napájanie zariadenia, ktoré odoberá prúd 1 A. To znamená, že diódový mostík je potrebné odoberať na približne 1,5 A. Povedzme, že plánujete napájať 12-voltové zariadenie výkonom 30 W. To znamená, že prúdový odber bude cca 2,5 A. Podľa toho musí byť diódový mostík minimálne 3 A. Jeho ostatné charakteristiky (maximálne napätie a pod.) môžeme v rámci takéhoto jednoduchého zapojenia zanedbať.

Okrem toho stojí za to povedať, že nemusíte brať hotový diódový mostík, ale zostaviť ho zo štyroch diód. V tomto prípade musí byť každý z nich navrhnutý pre prúd prechádzajúci obvodom.

Na výpočet kapacity vyhladzovacieho kondenzátora sa používajú pomerne zložité vzorce, ktoré sú v tomto prípade zbytočné. Zvyčajne sa berie kapacita 1000-2200 uF, čo bude stačiť na jednoduché napájanie. Môžete si vziať väčší kondenzátor, ale to výrazne zvýši náklady na produkt. Ďalším dôležitým parametrom je maximálne napätie. Podľa nej sa kondenzátor vyberá v závislosti od toho, aké napätie bude v obvode.

Tu stojí za zváženie, že v segmente medzi diódovým mostíkom a zenerovou diódou bude po zapnutí vyhladzovacieho kondenzátora napätie približne o 30% vyššie ako na svorkách transformátora.To znamená, že ak robíte 12 V napájací zdroj, a transformátor vyrába 15 V s rezervou, tak v tejto sekcii v dôsledku činnosti vyhladzovacieho kondenzátora bude približne 19,5 V. Podľa toho musí byť na to určený napätie (najbližšia štandardná hodnota 25 V).

Druhý vyhladzovací kondenzátor v obvode (C2) sa zvyčajne odoberá s malou kapacitou - od 100 do 470 μF. Napätie v tejto časti obvodu už bude stabilizované napríklad na úroveň 12 V. Podľa toho musí byť na to určený kondenzátor (najbližšia norma je 16 V).

Čo však robiť, ak nie sú k dispozícii kondenzátory s požadovanými hodnotami a nechcete ísť do obchodu (alebo ich jednoducho nechcete kupovať)? V tomto prípade je celkom možné použiť paralelné pripojenie niekoľkých kondenzátorov menšej kapacity. Stojí za zváženie, že maximálne prevádzkové napätie s takýmto pripojením nebude sčítané!

Zenerova dióda sa volí podľa toho, aké napätie potrebujeme dostať na výstupe zdroja. Ak nie je vhodná hodnota, môžete pripojiť niekoľko kusov v sérii. Stabilizované napätie sa spočíta. Zoberme si napríklad situáciu, že potrebujeme získať 12 V, no k dispozícii sú len dve zenerove diódy 6 V. Ich zapojením do série získame požadované napätie. Stojí za zmienku, že na získanie priemerného hodnotenia nebude fungovať paralelné pripojenie dvoch zenerových diód.

Rezistor obmedzujúci prúd pre zenerovu diódu je možné zvoliť čo najpresnejšie iba experimentálne.Na tento účel je k už fungujúcemu obvodu (napríklad na doštičke) pripojený odpor s nominálnou hodnotou približne 1 kOhm a medzi ním a zenerovou diódou v otvorenom obvode je umiestnený ampérmeter a premenlivý odpor. Po zapnutí obvodu musíte otáčať gombíkom s premenlivým odporom, kým cez časť obvodu nepreteká požadovaný menovitý stabilizačný prúd (uvedené v charakteristikách zenerovej diódy).

Zosilňovací tranzistor sa vyberá podľa dvoch hlavných kritérií. Po prvé, pre uvažovaný obvod to musí byť štruktúra n-p-n. Po druhé, v charakteristikách existujúceho tranzistora sa musíte pozrieť na maximálny kolektorový prúd. Mal by byť o niečo väčší ako maximálny prúd, pre ktorý bude zostavený napájací zdroj navrhnutý.

Zaťažovací odpor v typických obvodoch sa berie s nominálnou hodnotou od 1 kOhm do 10 kOhm. Nemali by ste brať menší odpor, pretože ak nie je napájací zdroj zaťažený, cez tento odpor preteká príliš veľa prúdu a vyhorí.

Návrh a výroba PCB

Teraz sa stručne pozrime na jasný príklad vývoja a montáže stabilizovaného napájacieho zdroja vlastnými rukami. Najprv musíte nájsť všetky komponenty prítomné v obvode. Ak neexistujú žiadne kondenzátory, odpory alebo zenerové diódy s požadovanými menovitými hodnotami, dostaneme sa zo situácie pomocou vyššie opísaných metód.

Ďalej budeme musieť navrhnúť a vyrobiť dosku plošných spojov pre naše zariadenie. Pre začiatočníkov je najlepšie použiť jednoduchý a hlavne bezplatný softvér, napríklad Sprint Layout.

Všetky súčiastky umiestnime na virtuálnu dosku podľa zvoleného obvodu. Optimalizujeme ich umiestnenie a upravujeme podľa toho, aké konkrétne diely sú k dispozícii.V tejto fáze sa odporúča ešte raz skontrolovať skutočné rozmery komponentov a porovnať ich s tými, ktoré boli pridané do vyvíjaného obvodu. Venujte zvláštnu pozornosť polarite elektrolytických kondenzátorov, umiestneniu svoriek tranzistora, zenerovej diódy a diódového mostíka.

Ak chcete pridať signál do napájacieho zdroja Dióda vyžarujúca svetlo, potom môže byť zaradený do obvodu pred zenerovou diódou aj po nej (najlepšie). Ak chcete vybrať odpor obmedzujúci prúd, musíte vykonať nasledujúci výpočet. Od napätia časti obvodu odčítame úbytok napätia na LED a výsledok vydelíme menovitým prúdom jej napájania. Príklad. V oblasti, do ktorej plánujeme pripojiť signál Dióda vyžarujúca svetlo, je stabilizovaných 12 V. Pokles napätia pre štandard LED diódy asi 3 V a menovitý napájací prúd je 20 mA (0,02 A). Zistili sme, že odpor odporu obmedzujúceho prúd je R = 450 Ohmov.

Kontrola komponentov a montáž napájacieho zdroja

Po vyvolaní dosky v programe ju prenesieme na sklolaminát, naleptáme, pocínujeme stopy a odstránime prebytočný tavidlo.

Potom nainštalujeme rádiové komponenty. Tu stojí za to povedať, že by nebolo zlé okamžite skontrolovať ich výkon, najmä ak nie sú nové. Ako a čo skontrolovať?

Vinutia transformátora sa kontrolujú pomocou ohmmetra. Tam, kde je odpor väčší, je primárne vinutie. Ďalej ho musíte zapojiť do siete a uistiť sa, že produkuje požadované znížené napätie. Pri meraní buďte mimoriadne opatrní. Upozorňujeme tiež, že výstupné napätie je premenlivé, takže na voltmetri je zapnutý zodpovedajúci režim.

Rezistory sa kontrolujú ohmmetrom. Zenerova dióda by mala „zvoniť“ iba v jednom smere. Diódový mostík kontrolujeme podľa schémy.Diódy v ňom zabudované musia viesť prúd iba jedným smerom. Na testovanie kondenzátorov budete potrebovať špeciálne zariadenie na meranie elektrickej kapacity. V n-p-n tranzistore musí prúd pretekať zo základne cez emitor do kolektora. Nemalo by prúdiť v iných smeroch.

Najlepšie je začať montáž s malými časťami - odpory, zenerova dióda, LED. Potom sa pripájajú kondenzátory a diódový mostík.

Venujte zvláštnu pozornosť procesu inštalácie výkonného tranzistora. Ak zamieňate jeho závery, obvod nebude fungovať. Okrem toho sa tento komponent pri zaťažení dosť zahrieva, takže musí byť inštalovaný na radiátore.

Najväčšia časť je inštalovaná ako posledná - transformátor. Ďalej sa na svorky primárneho vinutia pripája napájacia zástrčka s drôtom. Vodiče sú tiež na výstupe napájacieho zdroja.

Zostáva len dôkladne dvakrát skontrolovať správnu inštaláciu všetkých komponentov, umyť zostávajúce tavidlo a zapnúť napájanie siete. Ak je všetko vykonané správne, LED bude svietiť a výstup multimeter zobrazí požadované napätie.