Регулируемый двухполярный источник питания

О том, что такое двухполярное питание – написаны целые трактаты, от 2 абзацев до статьи длинной в 40 листов, поэтому мы не будем расписывать здесь эти подробности, отметим лишь самые важные моменты. Данный тип питания чаще всего применяется измерительной технике и различной аналоговой аппаратуре, особенно в аудио и видео – причина этого довольно проста: многие сигналы, которые надо измерять и обрабатывать имеют не только положительное значение, но и отрицательное, в соответствии с порождающим их неэлектрическим физическим явлением. Ярким примером такого явления являются звуковые волны, которые раскачивают мембрану динамического микрофона, порождая в катушке ток, направление которого показывает положение этой самой мембраны относительно точки покоя. Следовательно, схема обработки такого сигнала должна нормально работать при любом знаке напряжения на входе. Таких схем реализовано огромное множество, но многим из них требуется двухполярное питание.

Опять же, существует огромное количество всевозможных схем для получения двухполярного питания - от примитивных, до весьма нестандартных, использующих совершенно неочевидные схемотехнические решения. Рассматривать преимущества абстрактных схем и решений, вних примененных, можно бесконечно долго, а наилучшего варианта попросту не существует, т.к. в каждом конкретном случае существуют определенные требования (в том числе и наличие необходимых компонентов на текущий момент времени), которые и определяют конечный вариант сборки устройства.

Выбор схемы двухполярного источника питания

С учетом вышеизложенного, соберем небольшой регулируемый стабилизированный двухполярный источник питания для использования в лабораторных условиях при наладке маломощных усилителей низкой частоты, измерительных схем, содержащих в себе операционные усилители, и других устройств, по тем или иным причинам требующих двухполярного питания. Добавим, что данный источник должен иметь низкий уровень собственных шумов и как можно более низкую пульсацию выходного напряжения. Дополнительно требуется, чтобы он был достаточно надежным и мог пережить подключение к нему некорректно собранного устройства. Также хотелось бы сделать его в виде универсального модуля, который можно было бы использовать для быстрого макетирования новых конструкций или временно установить его в устройство, для которого еще не изготовлен окончательный вариант блока питания. Определив ТЗ можно перейти к подбору схемы будущего устройства.

Все схемы преобразователей однополярного питания в двухполярное, наподобие приведенных на Рис. 1, мы не рассматриваем, т.к. их применение возможно только со строго определенной нагрузкой. Так, например, в случае возникновения короткого замыкания в цепи, подключенной к одному из плеч – возникнет непредсказуемый перекос напряжений или токов, который в свою очередь может привести к выходу из строя и источника, и исследуемой схемы.

Рис. 1 - Неподходящие схемы преобразователей

Отличнейшая схема преобразования однополярного питания в двухполярное, но, увы, без регулировки выходного напряжения приведена в журнале «Радиоаматор» № 6 за 1999 год:

Рис. 2 - Схема преобразования однополярного питания в двухполярное без регулировки выходного напряжения

В экстренных случаях можно смело рекомендовать ее к повторению, но для нашей задачи она не подходит.

Сразу же отбросим идею простого импульсного источника, т.к. при использовании простейших схем, которые содержат минимальный набор компонентов – источник получается очень шумным, т.е. на выходе у него присутствует довольно много шумов и разного рада помех, от которых не так-то просто избавиться.

Рис. 3 - Схема из книги «500 схем для радиолюбителей. Источники питания», автор А.П. Семьян

При этом для питания УНЧ на микросхеме TDA – это отличный вариант, а вот для микрофонного усилителя с большим коэффициентом усиления – уже не очень. К тому же, все равно придется делать отдельные узлы стабилизации и защиты от короткого замыкания. Хотя, если бы нам требовался источник мощностью от 150 Вт и более – построение импульсного блока питания с регулировкой, хорошей фильтрацией и встроенной защитой стало бы превосходным, да к тому же, экономически выгодным решением.

Самым простым и надежным решением для нашей задачи будет использование трансформатора мощностью около 30 Вт с двумя обмотками или обмоткой с отводом от средней точки. Данные трансформаторы широко распространены на рынке, их легко найти в отжившей свой век аппаратуре, а в крайнем случае всегда можно домотать дополнительную обмотку на имеющийся в данный момент в наличии.

Рис. 4 - Трансформаторы

Так как нам нужен стабилизированный источник, то соответственно после трансформатора и диодного моста нам нужен некий регулируемый блок стабилизации напряжения с защитой от короткого замыкания (хотя защиту от замыкания можно добавить и после).

Следующим шагом бракуем все варианты стабилизаторов, собранные на дискретных элементах и состоящие из огромного числа деталей, как слишком сложные для поставленной задачи. К тому же, в подавляющем большинстве случаев они требуют тщательной настройки с подбором некоторых элементов.

Рис. 5 - Стабилизатор, собранный на дискретных элементах

Наиболее простым решением в нашем случае будет использование регулируемых линейных стабилизаторов, таких как LM317. Сразу же хочется предостеречь от в корне неверной идеи использования двух положительных стабилизаторов, включенных как показано ниже. Данная схема, хотя и может работать – функционирует некорректно и нестабильно!

Рис. 6 - Схема с использованием двух положительных стабилизаторов

Соответственно, придется использовать «комплементарный» регулируемый стабилизатор LM337. Плюсом обоих стабилизаторов является встроенная защита от перегрева и короткого замыкания на выходе, а также простая схема включения и отсутствие необходимости в настройке. Подсмотреть типовую схему включения данных стабилизаторов можно в даташите от производителя:

Рис. 7 - Типовая схема включения стабилизаторов LM317-LM337

Немного доработав ее, получим итоговый вариант модуля регулируемого двухполярного источника питания, собирать который мы будем по следующей схеме:

Рис. 8 - Схема модуля регулируемого двухполярного источника питания

Схема кажется сложной из-за того, что мы отметили на ней все рекомендуемые детали обвязки, а именно шунтирующие конденсаторы и диоды, служащие для разряда емкостей. Дабы убедиться в необходимости установки большинства из них – можно снова обратиться к даташиту:

Рис. 9 - Схема обвязки из datasheet

Мы добавили еще несколько элементов, чтобы еще больше защитить наш стабилизатор и максимально сгладить все пульсации и выбросы напряжения на выходе.

Для упрощения изготовления, а именно - уменьшения количества операций, необходимых для сборки применим технологию поверхностного монтажа, т.е. все детали в нашей конструкции будут SMD. Еще одним важным моментом будет тот факт, что в нашем модуле не будет сетевого трансформатора, его мы сделаем подключаемым. Причина кроется в том, что при большой разнице между питающим и выходным напряжениями, и работе с максимальным током, разницу между подводимой и отдаваемой в нагрузку мощностями необходимо рассеивать на регулирующих элементах нашей схемы, а конкретно – на интегральных регуляторах. Максимальная рассеиваемая мощность для таких стабилизаторов и так невелика, а при использовании SMD-корпусов становится еще меньше, и в результате максимальный ток подобного стабилизатора, работающего с разницей между входным и выходным напряжениями в 20 В, легко может опуститься до 100 mA, а этого для наших задач уже недостаточно. Решить эту проблему можно уменьшив разницу между этими напряжениями, например, подключив трансформатор с напряжениями вторичных обмоток наиболее близкими к тому, которое требуется в данный момент.

Подбор компонентов

Одним из сложных моментов реализации нашей идеи внезапно оказался подбор интегральных стабилизаторов в нужном корпусе. Несмотря на то, что мне было достоверно известно об их существовании во всех возможных SMD-корпусах, просмотр даташитов различных производителей не позволял найти точной маркировки, а поиск по параметрам у нескольких глобальных поставщиков показывал лишь отдельные варианты, и чаще всего различных производителей. В итоге, искомая комбинация в корпусах SOT-223, к тому же из одной серии, обнаружилась на сайте Texas Instruments: LM337IMP и LM317EM:

Рис. 10 - Интегральные стабилизаторы LM337IMP и LM317EM

Стоит отметить, что различных пар, состоящих из разнополярных стабилизаторов напряжения можно подобрать великое множество, однако производителем рекомендована пара из стабилизаторов одной серии. Оба стабилизатора обеспечивают максимальный ток до 1 A при разнице между входным и выходным напряжением до 15 В включительно, однако номинальным током, при котором стабилизатор гарантированно не уходит в защиту по перегреву можно считать 0,5-0,8 А. Тока в 500 mA в тех приложениях, для которых мы строим данный стабилизатор более чем достаточно, поэтому будем считать задачу по подбору стабилизаторов выполненной.

Перейдем к остальным компонентам.

Рис. 11 - Компоненты для сборки регулятора

Диодный мост – любой, с номинальным током 1-2 А. на напряжение не менее 50 В, мы использовали DB155S.

Электролитические конденсаторы в данной схеме применимы практически любые, с небольшим запасом по напряжению. Подбор осуществляется исходя из следующих соображений: так как размах питающего напряжения, которое нам требуется не превышает 15 В, а рекомендуемый максимум для стабилизаторов составляет 20 В – конденсаторы на 25 В имеют запас минимум в 25%. Все электролитические конденсаторы необходимо зашунтировать пленочными или керамическими с номиналами согласно схемы, на напряжение не менее 25 В. Мы использовали типоразмер 0805 и тип диэлектрика X7R (можно применить NP0, а Z5U или Y5V – не рекомендуются из-за плохих ТКС и ТКЕ, хотя в отсутствие альтернативы – подойдут и такие).

Резисторы постоянного номинала – любые, в делителе напряжения, отвечающем за напряжение стабилизации лучше применить более точные, с допуском в 1%. Типоразмер всех резисторов -1206, исключительно для удобства монтажа, однако можно смело применять 0805. Подстроечный резистор номиналом в 100 Ом – многооборотный, для точной регулировки (используется 3224W-1-101E). Резистор, применяющийся для регулировки выходного напряжения - номиналом в 5 КОм, любой имеющийся, мы взяли 3314G-1-502E под отвертку, но можно применить и переменный резистор для монтажа на корпус, соединив его с платой стабилизатора проводами. Диоды желательно применять быстродействующие, на ток не мене 1 А и напряжение от 50 В, например HS1D.

Светодиодный индикатор включения рассчитан по следующему принципу: ток через стабилитрон при самом большом напряжении на входе не должен превысить 40 mA, при подаче на вход напряжения до 30 В, номинал токоограничивающего резистора будет равен 750 Ом, для надежности лучше применить 820 Ом. Подавать на стабилизаторы напряжение меньше чем 8 В на плечо бессмысленно (т.к. во внутренней структуре микросхемы присутствуют стабилитроны на 6,3 В), таким образом при напряжении в 16 В ток через стабилитрон будет составлять 20 mA, а через подключенный параллельно ему светодиод – порядка 8 mA, чего будет достаточно для свечения SMD-светодиода. Стабилитрон любой, на напряжение стабилизации 3,3 В (применен DL4728A), и соответственно токоограничивающий резистор для светодиода в 150 Ом для обеспечения его продолжительной работы при максимальном токе через стабилитрон.

Изготовление устройства

Рисуем печатную плату нашего устройства, особое внимание обращая на контактные площадки для крупных SMD-конденсаторов. С ними может возникнуть следующее затруднение – базово они предназначены для пайки в печи, т.е. припаять их снизу, особенно маломощным паяльником довольно сложно, однако выводы конденсатора доступны сбоку и можно прочно припаять его при условии, что толщина подходящих к нему дорожек будет достаточной для обеспечения механической прочности соединения. Также, немаловажным является тот факт, что положительный и отрицательный стабилизаторы имеют разную цоколевку, т.е. просто отзеркалить одну половину печатной платы при разводке не получится.

Рисунок печатной платы переносим на предварительно подготовленный кусок фольгированного стеклотекстолита, и отправляем его травиться в раствор персульфата аммония (или другого подобного реагента на ваш выбор).

Рис. 12 - Плата с перенесенным рисунком и процесс травления

После того как плата была вытравлена, удаляем защитное покрытие и наносим на дорожки флюс, лудим их для защиты меди от окисления, после чего начинаем припаивать компоненты, начиная с наименьшего по высоте. Особых проблем возникнуть не должно, а к возможным трудностям с SMD-электролитами мы подготовились заранее.

Рис. 13 - Плата после травилки + наносим флюс + лужение

После того как все компоненты припаяны, а плата омыта от флюса необходимо подстроечным резистором в 100 Ом отрегулировать напряжение на отрицательном плече, чтобы оно совпало с напряжением на положительном плече.

Рис. 14 - Готовая плата

Рис. 15 - Регулировка напряжения на отрицательном плече

Испытания собранного устройства

Подключим к нашему стабилизатору трансформатор и попробуем нагрузить оба его плеча, и каждое из плеч независимо друг от друга, попутно контролируя токи и напряжение на выходах.

Рис. 16 - Первое измерение

После нескольких попыток произвести измерения на максимальном токе, стало понятно, что малюсенький трансформатор не в состоянии обеспечить ток в 1,5 А, и напряжение на нем проседает больше чем на 0,5 В, поэтому схема была переключена на лабораторный источник питания, обеспечивающий ток до 5 А.

Рис. 17, 18, 19 - Дополнительные измерения

Все работает в штатном режиме. Данный регулируемый двухполярный источник питания, собранный из качественных компонентов, благодаря своей простоте и универсальности, займет достойное место в домашней лаборатории или небольшой ремонтной мастерской.

Измерения и пуско-наладочные работы проводились на базе испытательной лаборатории АО «КППС», за что им отдельное спасибо!