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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Gleichspannungs- und Stromquelle im Labor
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile Diese Laborstromversorgung für Funkgeräte ist das Ergebnis der praktischen Tätigkeit einer kleinen Gruppe von Leuten aus dem jugendlichen Funktechnikclub „Radar“ (Penza). Es ist von Interesse für diejenigen, die Geräte entwickeln, die Operationsverstärker und moderne Mikroschaltungen verwenden, die ein- und zweipolige Versorgungsspannungen erfordern, die über einen ziemlich großen Bereich einstellbar sind. Eine Besonderheit dieses Labornetzteils ist die Schutzeinheit. Es ist bekannt, dass bei einigen Mikroschaltungen, die für die Stromversorgung über eine bipolare Spannungsquelle ausgelegt sind, das Fehlen einer davon nicht akzeptabel ist. Um solche Situationen zu vermeiden, bietet die vorgeschlagene Einheit ein Schutzsystem, das den Betrieb eines der Zweige des Stromversorgungsgeräts blockiert, wenn im anderen Zweig ein Kurzschluss vorliegt. Sobald die Ursache des Kurzschlusses beseitigt ist, kehrt das Netzteil automatisch in den Normalbetrieb zurück. Technische Eigenschaften des Gerätes
Die Geräteparameter im Spannungsquellenmodus entsprechen den Referenzdaten der darin verwendeten Mikroschaltungs-Spannungsstabilisatoren [1, 2]. Strukturell besteht es aus zwei funktionell vollständigen Blöcken: einer bipolaren Laststromversorgung und einer Stromkreisschutzeinheit, montiert auf separaten Leiterplatten. Das Diagramm des ersten dieser Blöcke ist in Abb. dargestellt. 1. Die Wicklungen II und III des Netztransformators T1, die Diodenbrücken VD1 - VD4 und VD5 - VD8 bilden eine bipolare unstabilisierte Spannungsquelle +23...24 V, die alle Komponenten und Blöcke des Geräts versorgt. Die Stromquelle für die Mikroschaltung DA1 an ihrem Minuspol ist der Spannungsstabilisator R11VD14 und die Mikroschaltung DA3 ist der Stabilisator R1VD9.
In Bezug auf Funktionsweise und Schaltungsdesign sind beide Zweige der Stromversorgung symmetrisch, daher werden wir die Funktionsweise nur eines von ihnen – des positiven – genauer betrachten. Über den in die Messung einbezogenen Messwiderstand R25 wird dem Eingang (Pin 1) der Mikroschaltung eine unstabilisierte unipolare Spannung (nicht mehr als +2 V) zugeführt, deren Welligkeit durch die Kondensatoren C5 und C2.1 geglättet wird Brücke bestehend aus den Widerständen R5 - R10 und den Zenerdioden VD11 und VD2, Stabilisator DA2 mit Ausgangsspannung, die durch den variablen Widerstand R10 gesteuert wird. Die Stromversorgung der Messbrücke erfolgt über eine Stromquelle auf Basis des Feldeffekttransistors VT1. Während der Ausgangsstrom des Stabilisators unter dem eingestellten Wert liegt, ist der Spannungsabfall am Widerstand R5 gering, die Spannung am Direktausgang DA1 ist größer als am Umkehrausgang und am Ausgang 6 des Operationsverstärkers ist die Spannung größer nahe +21 V. Die Dioden HL1 und VD13 sind geschlossen und haben keinen Einfluss auf den Betrieb des Stabilisators DA2. Erreicht der Ausgangsstrom den durch Widerstand R2.1 eingestellten Schwellwert, wird die Messbrücke eingeschaltet. Der Operationsverstärker DA1 wechselt in den linearen Modus, in dem die Gleichheit herrscht UR2.1 + UR3 = UR5 + VD10 einstellen. In diesem Fall hängt die Ausgangsspannung des Arms von der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers ab, der wiederum den Spannungsabfall am Widerstand R5 überwacht, d. h. den Laststrom, bei dem die obige Gleichung erfüllt ist. Wenn also die Beziehungen R3/R4 = 1 und Ust VD10 = Ust VD11 Ein = R2.1/R4.Ust VD11/R5. Diese vereinfachte Formel kann verwendet werden, wenn die Parameter der Messbrücke unter Berücksichtigung der vorhandenen Elementbasis oder anderer Anforderungen neu berechnet werden müssen. Für eine genauere Verfolgung kleinerer Lastströme empfiehlt es sich, den Widerstandswert des Widerstands R5 zu erhöhen. In diesem Fall verringert sich die Obergrenze der Laststrombegrenzung entsprechend. Prinzipiell funktioniert auch der negative Arm der Stromquelle so. Das Diagramm des Geräteschutzblocks gegen Kurzschluss an seinem Ausgang oder in der Last ist in Abb. dargestellt. 2. Wenn eine bipolare Ausgangsspannung an ihre Eingänge angelegt wird, öffnen die Transistoren VT4 und VT7 und schließen dadurch den Stromkreis: Der Transistor VT4 ist ein Stromkreis, der aus der LED HL3, dem Widerstand R25 und der Sendediode des Optokopplers U1 besteht, und der Transistor VT7 ist der Stromkreis HL4, R29 und die LED des Optokopplers U2. Die Transistoren VT3 und VT6 sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen. Dieser Zustand der Elemente dieser Stromkreise des Schutzsystems entspricht dem Betrieb des Geräts ohne Kurzschlüsse in seinen externen Stromkreisen.
Nehmen wir an, dass in der Last, die an den Ausgang des positiven Zweigs der Stromquelle angeschlossen ist, ein Kurzschluss auftritt. In diesem Fall schließt der Transistor VT4. Dies führt zum Öffnen des Transistors VT6 (über die Zenerdiode VD24 und den Widerstand R30), wodurch die gegenseitige Blockierung des Schutzsystems beseitigt wird. Der Transistor VT7 bleibt nach dem Blockieren des negativen Zweigs offen, wobei Strom über den Widerstand R27 und die Diode VD23 in seine Basis fließt. Gleichzeitig öffnet sich die HL3-LED und signalisiert das Auftreten eines Kurzschlusses im +Uout-Kreis und im Optokoppler-Emitter U1. Infolgedessen steigt der Fotodiodenstrom dieses Optokopplers stark an, der Transistor VT8 öffnet und der Kollektorstrom blockiert den Betrieb des DA4-Stabilisators des negativen Zweigs des Geräts. So funktioniert ein ähnlicher Teil der Schutzeinheit, wenn der negative Arm des Geräts in der Last kurzgeschlossen wird. Die Ansprechschwelle des Spannungsschutzes wird durch den gesamten Spannungsabfall an der Diode VD19 (VD22), der Emitterverbindung des Transistors VT4 (VT7), dem Widerstand R20 (R26) bestimmt und beträgt in unserem Fall ca. 1 V. Die Die Ansprechspannung kann erhöht werden, indem die Dioden durch entsprechende Zenerdioden ersetzt und die Widerstände R20 und R26 für ein zuverlässiges Öffnen der Transistoren VT4, VT7 ausgewählt werden. Da die Spannung am Ausgang der gesperrten Stabilisatoren DA2 und DA4 1,3 V nicht überschreitet, können die Widerstände R21, R23, R24, die Diode VD20, die Zenerdiode VD21 und der Transistor VT3 des positiven Zweigs sowie ähnliche Elemente des negativen Zweigs beseitigt werden, da eine gegenseitige Blockierung der Arme nicht auftritt. Diese Elemente sind für den Fall vorgesehen, dass die Spannung der Schutzschwelle erhöht (für den negativen Zweig verringert) werden muss. In diesem Fall empfiehlt es sich, eine Abschaltung der Versorgungsspannung von %10 V vorzusehen. Andernfalls ist es nicht möglich, die Ausgangsspannung niedriger als den Betriebsschwellenwert einzustellen, da die Schutzeinheit einen Kurzschluss in der Last erkennt und blockieren Sie den gegenüberliegenden Arm. Die Stromversorgung funktioniert ohne Schutzsystem. Seine Leiterplatte besteht aus einseitiger Glasfaserfolie. Die Platzierung der Teile ist in Abb. dargestellt. 3. Alle Konstantwiderstände sind MLT, die Variablen R2.1 und R2.2 sind Doppelwiderstände SP3-4aM der Gruppe A, R10 und R17 gehören zur gleichen Gruppe A, aber einzeln. Oxidkondensatoren C1, C2 und C5, C6 – K50-35, C4 und C8 – K53-Serie, C3 und C7 – jede Keramik, zum Beispiel KM-6. Die Dioden KD208A (VD1-VD8) sind durch ähnliche Serien KD226 und KD105A (VD12, VD18) austauschbar – durch alle Dioden der Serien KD208, KD209, KD226, die Dioden VD13 und VD17 – durch beliebige Siliziumdioden mit geringem Stromverbrauch. Die Nennstabilisierungsspannung der Zenerdioden VD10, VD11 und VD15, VD16 (D818E- oder KC190-Serie) kann im Bereich von 9 bis 11 V mit minimaler thermischer Drift gewählt werden.
Es empfiehlt sich, die Feldeffekttransistoren VT1 und VT2 (KP303 mit dem Buchstabenindex A, B, F oder I) basierend auf dem anfänglichen Drainstrom auszuwählen – innerhalb von 2...4 mA. Netzwerktransformator T1, der im Gerät aus einem zerlegten, im Ausland hergestellten Netzteil verwendet wird. Jeder andere, auch ein selbstgebauter, reicht aus, der an jeder seiner Sekundärwicklungen eine Wechselspannung von 17...18 V mit einem Laststrom von mindestens 1,4 A bereitstellt. Die Zenerdioden VD11 und VD15 befinden sich seitlich an den Leiterbahnen der Platine. Die Stabilisatoren DA2 und DA4 sind auf Lamellenkühlkörpern montiert, die von der Seite anderer Teile auf die Leiterplatte geschraubt werden. Für einen besseren Wärmekontakt sind die Stabilisatoren mit einer Schicht Wärmeleitpaste vorbeschichtet. Die Einstellung der Haupteinheit des Geräts erfolgt bei ausgeschalteter Schutzeinheit und besteht aus einer sorgfältigen Überprüfung der Installation und aller Anschlüsse und gegebenenfalls der Einstellung der Spannungen, die den Betrieb der Mikroschaltungen gewährleisten, und der Einrichtung der Messbrücke. Unmittelbar nach dem Anschließen des Geräts an das Netzwerk sollten Sie zunächst die Spannung an den Siebkondensatoren C1, C2 und C5, C6, die die Welligkeit des Bipolargleichrichters glätten, und den Zenerdioden VD9, VD14, die für die Stromversorgung sorgen, messen an die Operationsverstärker DA1 und DA3. Die Spannung an den Kondensatoren sollte +25 V nicht überschreiten und an den Zenerdioden sollte zwischen +9,5...10,5 V liegen. Beim Drehen der Wellen der Widerstände R10 und R17 sollten die Spannungen an den entsprechenden Ausgängen der Stromversorgungszweige ansteigen stufenlos von 1,25 auf 18 V um, und die LEDs HL1 und HL2 leuchten nicht. Die Maximalwerte dieser Spannungen werden durch Auswahl der Widerstände R8 und R18 eingestellt. Der Betrieb der Messbrücken der Gerätearme wird durch ein hochohmiges Gleichstromvoltmeter gesteuert, das an die Eingangsklemmen der Operationsverstärker DA1 und DA3 angeschlossen wird. Die Spannung am invertierenden Eingang jedes Operationsverstärkers (relativ zum gemeinsamen Kabel) muss negativer sein als die Spannung am nicht invertierenden Eingang. Der Unterschied in den Pegeln dieser Spannungen ändert sich proportional zu den Widerstandswerten der Widerstände R2.1 und R2.2 „Limit Iout“. Wenn die Spannungen gleich sind, muss das Gerät vom Spannungsquellenmodus in den Stromquellenmodus (oder umgekehrt) wechseln. Der Anfangswert der Laststrombegrenzung (0,01 A) wird durch Auswahl der entsprechenden Widerstände (R3 und R13) der Messbrücken erreicht, wobei sich die Welle des variablen Widerstands R2 in der Position des minimalen Widerstands befindet. Die Leiterplatte der Schutzeinheit, die Platzierung der Teile darauf und der Anschluss an die Stromversorgungsplatine sind in Abb. dargestellt. 4. Alle Widerstände sind MLT-0,25. Der Transistor VT3 gehört zur K361-Serie und VT6 gehört zur KT315-Serie. Der Basisstromübertragungskoeffizient der Transistoren KT3102E (VT4, VT5) und KT3107K (VT7, VT8) muss mindestens 400 betragen.
Die regalartig befestigten Leiterplatten des Netzteils (Abb. 5) und der Netztransformator sind in einem Gehäuse mit den Innenmaßen 210x90x90 mm aus 5 mm dicken Leiterplatten untergebracht.
Alle Elemente und Bedienelemente des Geräts sowie Steckdosenklemmen zum Anschluss von Lasten und Erdung befinden sich auf der Frontplatte des Gehäuses (Abb. 6).
Es gibt auch ein DC-Voltmeter (PV1 in Abb. 7), mit dem Sie die Spannung am Ausgang eines beliebigen Zweigs des Netzteils steuern können.
Die Verlustleistung der DA2- und DA4-Chips sollte 10 W nicht überschreiten. Dadurch wird der maximale Ausgangsstrom der Quelle auf 1,2 A bei einer Ausgangsspannung von mehr als +15 V begrenzt. Bei einer niedrigeren Ausgangsspannung erhöht sich der Spannungsabfall an diesen Mikroschaltungen, der zulässige Ausgangsstrom sinkt und bei einer Ausgangsspannung von 1,25 V sie beträgt 10/(24-1,25) = 0,44 A. Jedes Paar Zenerdioden VD10, VD11 und VD15, VD16 kann durch eine Zenerdiode für eine Spannung von 10...15 V ersetzt werden. Die Hälfte der Zenerdiode Die Spannung zur Versorgung der nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker DA1 und DA3 sollte mit einem Teiler erhalten werden, der aus zwei identischen Widerständen mit einem Widerstandswert von 68 kOhm besteht und auf die gleiche Weise wie die Zenerdioden im Diagramm in Abb. angeschlossen ist. 1. Der Einsatz von thermisch stabilen Zenerdioden ist nicht gerechtfertigt, da diese erst bei einem Betriebsstrom von 10 mA vorhanden sind und hier der Strom durch sie deutlich geringer ist. Wenn das Gerät im Spannungsstabilisierungsmodus mit einer Ausgangsspannung von 1,25 V arbeitet, beträgt die Schließvorspannung der LEDs HL1 und HL2 etwa 20 V, was für sie nicht akzeptabel ist. Daher sollte jede Siliziumdiode mit geringer Leistung mit jeder von ihnen in Reihe geschaltet werden oder einfach die Widerstände R9 und R19 nicht installiert werden. Um die Transistoren VT21 und VT24 zuverlässig zu schließen, müssen die Zenerdioden VD3 und VD6 eine garantiert höhere Stabilisierungsspannung als VD9 und VD14 haben, daher ist es besser, sie mit den Indizes G oder D zu verwenden. Damit die Transistoren VT5 und VT8 nicht funktionieren Durch Rückströme der unbeleuchteten Fotodioden U1.2 und U2.2 geöffnet, sollten deren Basis-Emitter-Verbindungen mit Widerständen von 510...680 kOhm überbrückt werden. Literatur
Autor: A. Muzykov, Penza
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