Комбинированный блок питания

Комбинированный блок питания, схема которого показана на рис. 1, предназначен для отработки и налаживания транзисторных устройств малой мощности. В нем совмещены стабилизированный выпрямитель с плавной регулировкой выходного напряжения и аккумуляторная батарея, напряжение на выходе которой может изменяться переключением составляющих ее элементов.

Выпрямитель используется также для заряда аккумуляторной батареи блока или внешних аккумуляторных элементов и батарей небольшой емкости.

Особенностями стабилизатора выпрямителя являются способы обеспечения стабильности опорного напряжения и защиты от перегрузок и коротких замыканий. Для уменьшения влияния изменений тока нагрузки стабилизатора на стабильность опорного напряжения питание цепи опорного напряжения осуществляется не от отдельного выпрямителя, как это часто делается, а с дополнительного выхода выпрямительного моста, питающего стабилизатор, что исключает необходимость усложнения конструкции трансформатора питания.

Применение двух ступеней стабилизации опорного напряжения позволяет получить почти полную независимость силы тока через стабилитрон, с которого снимается опорное напряжение, от колебаний силы тока нагрузки стабилизатора и напряжения на входе выпрямительного моста, что обеспечивает высокую степень стабильности опорного напряжения. Кроме того, введен дифференциальный усилитель сигнала рассогласования, также повышающий коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Регулировка напряжения на выходе путем изменения величины поступающего на регулирующий элемент опорного напряжения приводит к изменению режима работы почти всех элементов стабилизатора. Это обстоятельство затрудняет осуществление автоматической защиты от перегрузок и коротких замыканий во всем диапазоне регулировки напряжения на выходе. В используемых обычно для этих целей защитных устройствах в цепи нагрузки или питания включают дополнительные резисторы, обмотки реле, достаточно мощные транзисторные ключи, тринисторные устройства и т. п., что часто ведет к усложнению стабилизатора, к увеличению его выходного сопротивления или к ограничению диапазона регулировки выходного напряжения, а также к уменьшению КПД. Во многих случаях в таких защитных устройствах порог их срабатывания по силе тока нагрузки стабилизатора изменяется при колебаниях напряжения питания или при регулировке выходного напряжения.

Защитное устройство стабилизатора выпрямителя описываемого комбинированного блока питания свободно от этих недостатков. В нем защита при перегрузках и коротких замыканиях осуществляется разрывом цепи опорного напряжения. Порог срабатывания защиты определяется не режимом работы каких-либо элементов стабилизатора, а разностью напряжений, возникающих между двумя выходами выпрямителя в результате падения напряжения на динамическом сопротивлении диодов выпрямительного моста. Эта разность напряжений зависит только от тока нагрузки выпрямительного моста, питающего стабилизатор, и не зависит от напряжений на его входе и выходе.

Порог срабатывания защиты может плавно регулироваться в широких пределах. Потребляемая мощность незначительна.

Выпрямитель комбинированного блока питания снабжен компенсационным стабилизатором напряжения с последовательным включением регулирующего элемента. Стабилизатор имеет следующие параметры: напряжение на выходе плавно регулируется в пределах О—15 В; сила допустимого тока нагрузки 1нмакс = 0,5 А; высокая стабильность выходного напряжения при изменении силы тока нагрузки от нуля до 1н макс и колебаниях напряжения на вторичной обмотке трансформатора питания в пределах 14—20 В, что соответствует колебаниям напряжения сети переменного тока около ±20%; выходное сопротивление — сотые доли ома; амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения на выходе не превышает несколько милливольт.

Аккумуляторная батарея Б1 блока составлена из десяти дисковых кадмиево-никелевых аккумуляторных элементов Д-0,25 (номинальное напряжение элемента 1,25 В; номинальная емкость 0,25 А-ч; сила номинального разрядного тока 0,025 А; сила предельного среднего разрядного тока 0,1—0,13 А; допустимое число циклов заряд — разряд более 250). Коммутация элементов батареи переключателями ВЗ и В4 позволяет получить на выходе напряжение от 0 до 12,5 В, меняющееся ступенями в 1,25 В, при небольшой силе тока нагрузки, равной 0,13 А.

Выпрямитель блока питания выполнен на диодах Д1—Д4 и Д5—Д12, включенных по мостовой схеме (выход А-В). Выпрямленное напряжение с выхода А поступает на стабилизатор, собранный на транзисторах Т1—Т5. Часть выходного напряжения стабилизатора, снимаемая с делителя R10—R12, подается на базу транзистора Т5 для сравнения с опорным напряжением на базе транзистора Т4. Результирующий сигнал рассогласования через дифференциальный усилитель на транзисторах Т4, Т5 управляет режимом составного транзистора Т2ТЗ, являющегося регулирующим элементом стабилизатора. Резистор R8 предотвращает приоткрывание транзистора ТЗ его током утечки.

Для питания цепей опорного напряжения, стабилизация которого осуществляется цепочкой стабилитронов Д17—Д20, используется выход Б-В выпрямителя.

Опорное напряжение, поступающее на базу транзистора Т4, снимается со стабилитрона Д20 и устанавливается резистором R7, служащим и для регулировки выходного напряжения.

Устройство на транзисторе Т1 и электромагнитном реле Р1 защищает стабилизатор от перегрузок и коротких замыканий. Принцип его работы заключается в следующем. С ростом силы тока нагрузки на выходе выпрямителя А-В в результате роста силы тока нагрузки стабилизатора напряжения в точке А по отношению к точке Б становится положительным. Напряжение, возникающее между выходами А-В и Б-В выпрямителя, снимается с резистора R3 и подается на базу транзистора Т1. При некоторой силе тока коллектора этого транзистора срабатывает реле Р1 и его контакты P1.1 разрывают цепь опорного напряжения, что вызывает лавинное закрывание транзисторов стабилизатора. Реле при этом самоблокируется через резистор R5 и одновременно включает индикатор перегрузки — светодиод Д16.

Порог срабатывания защитного устройства устанавливают резистором R3.

Разблокировка реле Р1 осуществляется выключением питания переключателем В1. После устранения причин перегрузки включением питания стабилизатор вновь приводится в рабочее состояние.

Диод Д14 выполняет роль ограничителя коллекторного тока транзистора 77 и обеспечивает некоторую температурную стабилизацию режима его работы. Диод Д15 демпфирует выбросы напряжения на обмотке реле PL Во время налаживания стабилизатора и защитного устройства (T1, P1) диоды Д21 и Д22 защищают их от коротких замыканий. При коротком замыкании на выходе устройства малое прямое сопротивление этих диодов шунтирует цепь база — эмиттер транзистора Т4, что приводит к закрыванию остальных транзисторов стабилизатора.

Подключение выхода выпрямителя, аккумуляторной батареи и измерительных приборов к выходным зажимам 1—6 блока питания, а также коммутация элементов батареи и пределов измерений миллиамперметра ИП1 и вольтметра ИП2 осуществляются переключателями ВЗ—В7. Переключатель рода работы В7 имеет пять положений: 1 — выход батареи Б1 на зажимы 1 и 2 через измерительные приборы; 2 — выход батареи на зажимы 1 и 2 через измерительные приборы и переменный резистор R22; 3 — заряд батареи Б1 от выпрямителя блока; 4 — выход выпрямителя на зажимы 5 и 6 через измерительные приборы, резистор R22 и диод Д24 для заряда внешних аккумуляторов и аккумуляторных батарей; 5 — выход выпрямителя на зажимы 5 и 6 через измерительные приборы. Переключателем В5 устанавливают необходимые пределы измерений миллиамперметра ИП1 (0,1; 5; 10; 50; 100 и 500 мА; в положении ХО миллиамперметр замкнут), а переключателем В6 — пределы измерений вольтметра ИП2 (0,1; 5; 10 и 50 В; в положении Х0 вольтметр отключен). Переключателями ВЗ и В4 подключают к выходным зажимам или на заряд от выпрямителя блока одновременно все элементы Э1—Э10 батареи Б1, любую группу или отдельные ее элементы.

Переключателем ВЗ коммутируют положительные полюсы элементов, а переключателем В4 — отрицательные.

Отсчет числа включаемых элементов ведется от отрицательного полюса батареи.

Аккумуляторная батарея блока защищена от перегрузок и коротких замыканий предохранителем Пр2. Переменным резистором R22 плавно регулируют силу тока нагрузки батареи и силу тока заряда ее элементов. Диод Д24 предотвращает возможность разряда заряжаемого аккумулятора через выходные цепи стабилизатора при выключенном выпрямителе. Диод Д23 защищает вольтметр ИП2 при ошибочной полярности напряжения на выходе батареи Б1, устанавливаемой переключателями ВЗ и В4.

Для одновременного использования выпрямителя и батареи блока предусмотрен неконтролируемый измерительными приборами выход батареи на зажимы 1 и 3 и выпрямителя на зажимы 4 и 6, независимо от положения переключателя В7. Общим проводом выхода блока питания являются положительные выводы выпрямителя и батареи. В случае необходимости полярность напряжения батареи, на зажимах 1 и 3 переключателями ВЗ и В4 может быть изменена на обратную.

Конструкция и детали. Блок питания собран в металлическом корпусе размерами 260X150X; Х70 мм. Диоды выпрямительного моста размещены на отдельной печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. На другой печатной плате размещены детали стабилизатора и защитного устройства.

Трансформатор питания Tpl имеет магнитопровод Ш16Х22. Обмотка 1 содержит 2840 витков провода ПЭВ-1 0,12 (для сети напряжением 127 В — 1640 витков провода ПЭВ-1 0,14), обмотка 11— 240 витков провода ПЭВ-1 0,51 (номинальное напряжение 17,5 В). Электростатический экран между обмотками выполнен в виде незамкнутого витка латунной фольги.

Элементы аккумуляторной батареи помещены в пластмассовый цилиндр, через прорезь в стенке которого пропущены лепестки проложенных между элементами контактных шайб, являющиеся выводами полюсов, элементов.

Для измерительных приборов ИП1 и ИП2 использованы миллиамперметры типа М4200 на силу тока 1 мА. Электромагнитное реле РЭС-10, паспорт РС4.524.302, Можно использовать реле РЭС-9, паспорт РС4.524.201 или любые другие с силой тока срабатывания 15—40 мА и сопротивлением обмотки постоянному току 500— 600 Ом.

Статический коэффициент передачи тока транзисторов 77 и ТЗ—Т5 должен быть 30—40, а транзистора П—10—15. Транзистор 77— МП37А, МП37Б, а для реле с большей силой тока срабатывания — ГТ404 с любым буквенным индексом. Транзистор Т2 установлен на радиаторе, представляющем собой латунный стакан диаметром 54 мм, толщина дна которого 5, высота обода — 23, а толщина стенки обода — 2 мм. Обод стакана разрезан по периметру на 24 сегмента. Этот транзистор можно заменить транзисторами П702, П702А, КТ803А, КТ805А, КТ805Б. Транзисторы ТЗ—Т5 — любые маломощные низкочастотные или среднечастотные соответствующей структуры. Транзисторы Т4 и Т5 надо подобрать с возможно одинаковыми параметрами h21э и IКБО.

При выборе стабилитронов для замены следует руководствоваться тем, что напряжение стабилизации стабилитрона Д20 должно быть несколько меньше максимального выходного напряжения стабилизатора, а напряжение стабилизации цепочки Д17—Д19 — ниже возможного минимального напряжения на выходе Б-В выпрямителя при максимальной нагрузке обоих его выходов. Сила допустимого тока стабилизации стабилитронов Д18 и Д19 (можно заменить одним стабилитроном на соответствующее напряжение стабилизации) должна быть не меньше 25—30 мА, а стабилитрона Д17-— 40—70 мА. Стабилитрон Д17 — КС139А или при незначительном ухудшении стабилизации опорного напряжения заменяется резистором сопротивлением 180— 200 Ом.

Диоды Д1—Д12 выпрямительного моста — серии Д7, диоды Д13 и Д23 — серии Д9 или Д2. Желательно, чтобы диоды Д14, Д21, Д22 и Д24 были германиевыми с малым прямым и большим обратным сопротивлением. Диод Д15 — серии Д7, Д219А, Д223, Д312.

Резисторы R3 и R7 — типа СПЗ-4а, R11 и R22 — проволочные типа ППЗ. Резисторы R13—R17, шунтирующие миллиамперметр, и добавочный резистор R18 вольтметра выполнены проводом из манганина, намотанным на пластмассовых корпусах и корпусах резисторов типа ВС. Остальные постоянные резисторы типа МЛТ. Конденсаторы СЗ—С8 фильтра выпрямителя — типа К50-6, С1, С2 и С9—С12 — БМТ и МБМ.

Налаживание. Прежде всего надо подбором резисторов R13—R21 уточнить шкалы миллиамперметра и вольтметра по образцовым приборам. Затем отключить питание транзисторов стабилизатора в точке А выпрямительного моста и подбором резистора R2 (на схеме ошибочно обозначен R12, 180 Ом) добиться равенства силы тока через цепочку стабилитронов Д18, Д19 16—18 мА (если напряжение на обмотке II трансформатора питания может уменьшаться более чем до 14 В, силу этого тока следует увеличить до 25 мА). Сила тока через стабилитрон Д20 должна равняться >5 мА.

Далее переключатель В7 ставят в положение 5, HI) в положение Х500, В6 — в положение Х50, ДВИЖОК резистора R3 в нижнее (по схеме) положение, /I резистора R7 — в верхнее и включают питание транзисторов. Подбором резистора R10 и переменным резистором R11 регулируют напряжение на выходе стабилизатора.

Затем резистор R8 следует заменить резистором сопротивлением 100—200 Ом, включить в эмиттерную цепь транзистора Т2 внешний миллиамперметр и, замкнув накоротко выход стабилизатора, подбором этого резистора установить в эмиттерной цепи транзистора Т2 силу тока в пределах 25—50 мА (чем больше сопротивление резистора R8, тем выше коэффициент стабилизации выходного напряжения стабилизатора, но тем большей может оказаться сила остаточного тока в цепи эмиттера транзистора Т2 при коротком замыкании на выходе). После этого разомкнуть выход стабилизатора, отключить внешний миллиамперметр, нагрузить стабилизатор силой тока 0,5 А по миллиамперметру ИП1 и резистором R3 добиться порога срабатывания реле PI, равного 0,5 А. Сопротивление резистора R5 должно быть таким, чтобы сила тока через обмотку реле несколько превышала силу тока отпускания, сопротивление резистора R6 — чтобы сила тока через светодиод Д16 при срабатывании реле не превышала 20 мА.

Если необходимо зарядить аккумуляторную батарею блока Б1, переключатель В7 ставят в положение -5, движок резистора R7 в среднее, движок резистора R22 — в левое, переключатель ВЗ — в нижнее, а переключатель В4 — в верхнее (по схеме) положения; переключатели В5 и В6 должны быть в положениях Х50, затем, включив питание тумблерами В1 и В2, резисторами R7 и R22 устанавливают силу тока заряда батареи, равную 20 мА (продолжительность заряда 19 ч). Включая выпрямитель тумблером В1, периодически проверяют напряжение аккумуляторной батареи по вольтметру ИП2.

Порог срабатывания реле PI, равный 0,25—0,5 А, регулируется резистором R3 (верхний предел ограничен лишь тепловым режимом транзистора Т2 и силой допустимого выпрямленного тока диодов Д1—Д12, а нижний — величиной коэффициента А21э транзистора Т1, чувствительностью реле Р1 и силой тока, потребляемого цепью стабилизации опорного напряжения).

Если требуемый порог срабатывания ниже 0,25 А, то защитное устройство может быть собрано по схеме, приведенной на рис, 2, а (дополнительные детали выделены утолщенными линиями), Реле Р1 — типа РЭС-9, паспорт PC4.524.20i.

Схема защитного устройства триггерного типа с транзисторным ключом (без электромагнитного реле) приведена на рис. 2, б. Принцип работы такого варианта защитного устройства заключается в следующем. При отсутствии перегрузки стабилизатора сила коллекторного тока транзистора Т1 невелика и транзисторы Т6 и Т1 открыты. При перегрузке (порог срабатывания защиты устанавливается резистором R3) возрастание силы коллекторного тока транзистора Т1 приводит к закрыванию транзистора Тб, в результате чего закрывается и транзистор Т1. Это вызывает разрыв цепи опорного напряжения, я транзисторы стабилизатора Т2—Т5 закрываются. Транзистор Т1 удерживается в открытом состоянии напряжением участка коллектор — эмиттер закрытого транзистора Т6, которое поступает на базу транзистора Т1 через резистор R23. По устранении перегрузки стабилизатора защитное устройство приводится в исходное состояние кратковременным нажатием нормально замкнутой кнопки В8. Сила тока, потребляемого транзисторами Т1 и Т6, не превышает 3 мА. Индикатором перегрузки в данном случае является только вольтметр ИП2, но в случае необходимости к коллекторной цепи транзистора Т6 может быть подключен дополнительный каскад усиления тока с электромагнитным реле для включения светового или звукового индикатора перегрузки.

После налаживания защитного устройства, образуемого транзистором Т1 и реле Р1 (или устройств по схемам, приведенным на рис. 2), диоды Д21 и Д22 (защита стабилизатора от коротких замыканий) можно исключить. Однако простота и безынерционность такой защиты в самых тяжелых случаях перегрузки вполне оправдывают, их сохранение в блоке резисторы — МЛТ-0,25, переменный резистор R22 — СПО-0,5, подстроечные R5, Rll, R32, R36 и R44 — СПЗ-16.

Рис2. Монтажные и печатные платы; а — генератора вертикальных полов; б — ВЧ генератора и модулятора; в — генератора горизонтальных полос; г—выпрямителя и стабилизатора напряжения

Катушки LI, L4 и L5 намотаны на каркасах контурных катушек транзисторного радиоприемника Родина: Ы — на секционированном каркасе катушки ДВ (или СВ) диапазона и содержит 960 витков провода ПЭВ-1 0,1, L4 и L5— на каркасах катушек, KB диапазона и содержат соответственно 6 и 8 витков провода ПЭЛШО 0,18. Дроссели L2 и L3 намотаны на резисторах МЛТ-0,5 сопротивлением 1 МОм проводом ПЭВ-1 0,1 виток к витку до заполнения каркасов резисторов. Переключатель В1 — типа ПД2 (от комнатной телевизионной антенны). Трансформатор питания Tp1 — от радиоприемника Океан-205. Детали прибора смонтированы на четырех печатных платах размерами 95X50 мм (рис. 2), которые в два ряда укреплены в корпусе.