Рассмотренный далее стабилизированный блок питания является одним из первых устройств, которые собираются начинающими радиолюбителями. Это очень простой, но весьма полезный прибор. Для его сборки не нужны дорогостоящие компоненты, которые достаточно легко подобрать новичку в зависимости от требуемых характеристик блока питания.
Материал будет также полезен тем, кто желает более детально разобраться в назначении и расчете простейших радиодеталей. В том числе, вы подробно узнаете о таких компонентах блока питания, как:
- силовой трансформатор;
- диодный мост;
- сглаживающий конденсатор;
- стабилитрон;
- резистор для стабилитрона;
- транзистор;
- нагрузочный резистор;
- светодиод и резистор для него.
Также в статье детально рассказано, как подобрать радиодетали для своего блока питания и что делать, если нет нужного номинала. Наглядно будет показана разработка печатной платы и раскрыты нюансы этой операции. Несколько слов сказано конкретно о проверке радиодеталей перед пайкой, а также о сборке устройства и его тестировании.
Типовая схема стабилизированного блока питания
Всевозможных схем блоков питания со стабилизацией напряжения существует сегодня очень много. Но одна из самых простых конфигураций, с которой и стоит начинать новичку, построена всего на двух ключевых компонентах – стабилитроне и мощном транзисторе. Естественно, в схеме присутствуют и другие детали, но они вспомогательные.
Схемы в радиоэлектронике принято разбирать в том направлении, в котором по ним протекает ток. В блоке питания со стабилизацией напряжения все начинается с трансформатора (TR1). Он выполняет сразу несколько функций. Во-первых, трансформатор понижает сетевое напряжение. Во-вторых, обеспечивает работу схемы. В-третьих, питает то устройство, которое подключено к блоку.
Диодный мост (BR1) – предназначен для выпрямления пониженного сетевого напряжения. Если говорить другими словами, то в него заходит переменное напряжение, а на выходе получается уже постоянное. Без диодного моста не будет работать ни сам блок питания, ни устройства, которые будут к нему подключаться.
Сглаживающий электролитический конденсатор (C1) нужен для того, чтобы убирать пульсации, присутствующие в бытовой сети. На практике они создают помехи, которые отрицательно сказываются на работе электроприборов. Если для примера взять усилитель звука, запитанный от блока питания без сглаживающего конденсатора, то эти самые пульсации будут отчетливо слышны в колонках в виде постороннего шума. В других приборах помехи могут привести к некорректной работе, сбоям и прочим проблемам.
Стабилитрон (D1) – это компонент блока питания, который стабилизирует уровень напряжения. Дело в том, что трансформатор будет выдавать желаемые 12 В (например) только тогда, когда в сетевой розетке будет ровно 230 В. Однако на практике таких условий не бывает. Напряжение может как просаживаться, так и повышаться. То же самое трансформатор будет давать и на выходе. Благодаря своим свойствам стабилитрон выравнивает пониженное напряжение независимо от скачков в сети. Для корректной работы этого компонента нужен токоограничивающий резистор (R1). О нем более детально сказано ниже.
Транзистор (Q1) – нужен для усиления тока. Дело в том, что стабилитрон не способен пропускать через себя весь потребляемый прибором ток. Более того, корректно он будет работать только в определенном диапазоне, например, от 5 до 20 мА. Для питания каких-либо приборов этого откровенно мало. С данной проблемой и справляется мощный транзистор, открывание и закрывание которого управляется стабилитроном.
Сглаживающий конденсатор (C2) – предназначен для того же, что и вышеописанный C1. В типовых схемах стабилизированных блоков питания присутствует также нагрузочный резистор (R2). Он нужен для того, чтобы схема сохраняла работоспособность тогда, когда к выходным клеммам ничего не подключено.
В подобных схемах могут присутствовать и другие компоненты. Это и предохранитель, который ставится перед трансформатором, и светодиод, сигнализирующий о включении блока, и дополнительные сглаживающие конденсаторы, и еще один усиливающий транзистор, и выключатель. Все они усложняют схему, однако, повышают функциональность устройства.
Расчет и подбор радиокомпонентов для простейшего блока питания
Трансформатор подбирается по двум основным критериям – напряжению вторичной обмотки и по мощности. Есть и другие параметры, но в рамках материала они не особо важны. Если вам нужен блок питания, скажем, на 12 В, то трансформатор нужно подбирать такой, чтобы с его вторичной обмотки можно было снять чуть больше. С мощностью все то же самое – берем с небольшим запасом.
Основной параметр диодного моста – это максимальный ток, который он способен пропускать. На эту характеристику и стоит ориентироваться в первую очередь. Рассмотрим примеры. Блок будет использоваться для питания прибора, потребляющего ток 1 А. Это значит, что диодный мост нужно брать примерно на 1,5 А. Допустим, вы планируете питать какой-либо 12-вольтовый прибор мощностью 30 Вт. Это значит, что потребляемый ток будет около 2,5 А. Соответственно, диодный мост должен быть, как минимум, на 3 А. Другими его характеристиками (максимальное напряжение и прочее) в рамках такой простой схемы можно пренебрегать.
Дополнительно стоит сказать, что диодный мост можно не брать уже готовый, а собрать его из четырех диодов. В таком случае каждый из них должен быть рассчитан на ток, проходящий по схеме.
Для расчета емкости сглаживающего конденсатора применяются достаточно сложные формулы, которые в данном случае ни к чему. Обычно берется емкость 1000-2200 мкФ, и этого для простого блока питания будет вполне достаточно. Можно взять конденсатор и побольше, но это существенно удорожит изделие. Другой важный параметр – максимальное напряжение. По нему конденсатор подбирается в зависимости от того, какое напряжение будет присутствовать в схеме.
Здесь стоит учитывать, что на отрезке между диодным мостом и стабилитроном после включения сглаживающего конденсатора напряжение будет примерно на 30% выше, чем на выводах трансформатора. То есть, если вы делаете блок питания на 12 В, а трансформатор выдает с запасом 15 В, то на данном участке из-за работы сглаживающего конденсатора будет примерно 19,5 В. Соответственно, он должен быть рассчитан на это напряжение (ближайший стандартный номинал 25 В).
Второй сглаживающий конденсатор в схеме (C2) обычно берется небольшой емкости – от 100 до 470 мкФ. Напряжение на этом участке схемы будет уже стабилизированным, например, до уровня 12 В. Соответственно, конденсатор должен быть рассчитан на это (ближайший стандартный номинал 16 В).
А что делать, если конденсаторов нужных номиналов нет в наличии, и в магазин идти неохота (или банально нет желания их покупать)? В таком случае вполне возможно воспользоваться параллельным подключением нескольких конденсаторов меньшей емкости. При этом стоит учесть, что максимальное рабочее напряжение при таком подсоединении суммироваться не будет!
Стабилитрон подбирается в зависимости от того, какое напряжение нам нужно получить на выходе блока питания. Если подходящего номинала нет, то можно соединить несколько штук последовательно. Стабилизируемое напряжение, при этом, будет суммироваться. Для примера возьмем ситуацию, когда нам надо получить 12 В, а в наличии есть только два стабилитрона на 6 В. Соединив их последовательно мы и получим желаемое напряжение. Стоит отметить, что для получения усредненного номинала параллельное подключение двух стабилитронов не сработает.
Максимально точно подобрать токоограничивающий резистор для стабилитрона можно только экспериментально. Для этого в уже рабочую схему (например, на макетной плате) включается резистор номиналом примерно 1 кОм, а между ним и стабилитроном в разрыв цепи ставится амперметр и переменный резистор. После включения схемы нужно вращать ручку переменного резистора до тех пор, пока через участок цепи не потечет требуемый номинальный ток стабилизации (указывается в характеристиках стабилитрона).
Усиливающий транзистор подбирается по двум основным критериям. Во-первых, для рассматриваемой схемы он обязательно должен быть n-p-n структуры. Во-вторых, в характеристиках имеющегося транзистора нужно посмотреть на максимальный ток коллектора. Он должен быть немного больше, чем максимальный ток, на который будет рассчитан собираемый блок питания.
Нагрузочный резистор в типовых схемах берется номиналом от 1 кОм до 10 кОм. Меньшее сопротивление брать не стоит, так как в случае, когда блок питания не будет нагружен, через этот резистор потечет слишком большой ток, и он сгорит.
Разработка и изготовление печатной платы
Теперь вкратце рассмотрим наглядный пример разработки и сборки стабилизированного блока питания своими руками. В первую очередь, необходимо найти все присутствующие в схеме компоненты. Если нет конденсаторов, резисторов или стабилитронов нужных номиналов – выходим из ситуации вышеописанными путями.
Далее нужно будет спроектировать и изготовить печатную плату для нашего прибора. Начинающим лучше всего использовать для этого простое и, самое главное, бесплатное программное обеспечение, например, Sprint Layout.
Размещаем на виртуальной плате все компоненты согласно выбранной схемы. Оптимизируем их расположение, корректируем в зависимости от того, какие конкретно детали есть в наличии. На этом этапе рекомендуется перепроверять реальные размеры компонентов и сравнивать их с добавляемыми в разрабатываемую схему. Особое внимание обратите на полярность электролитических конденсаторов, расположение выводов транзистора, стабилитрона и диодного моста.
Если вы заходите добавить в блок питания сигнальный светодиод, то его можно будет включить в схему как до стабилитрона, так и после (предпочтительнее). Чтобы подобрать для него токоограничивающий резистор, необходимо выполнить следующий расчет. Из напряжения участка цепи вычитаем падение напряжения на светодиоде и делим результат на номинальный ток его питания. Пример. На участке, к которому мы планируем подключать сигнальный светодиод, имеется стабилизированные 12 В. Падение напряжения у стандартных светодиодов около 3 В, а номинальный ток питания 20 мА (0,02 А). Получаем, что сопротивление токоограничивающего резистора R=450 Ом.
Проверка компонентов и сборка блока питания
После разработки платы в программе переносим ее на стеклотекстолит, травим, лудим дорожки и удаляем излишки флюса.
После этого выполняем установку радиокомпонентов. Здесь стоит сказать, что не лишним будет сразу же перепроверить их работоспособность, особенно, если они не новые. Как и что проверять?
Обмотки трансформатора проверяются омметром. Где сопротивление больше – там первичная обмотка. Далее его нужно включить в сеть и убедиться, что он выдает требуемое пониженное напряжение. При его измерении соблюдайте предельную осторожность. Также учтите, что напряжение на выходе переменное, потому на вольтметре включается соответствующий режим.
Резисторы проверяются омметром. Стабилитрон должен «звониться» только в одном направлении. Диодный мост проверяем по схеме. Встроенные в него диоды должны проводить ток только в одном направлении. Для проверки конденсаторов потребуется специальный прибор для измерения электрической емкости. В транзисторе n-p-n структуры ток должен протекать от базы к эмиттеру и к коллектору. В остальных направлениях он протекать не должен.
Начинать сборку лучше всего с мелких деталей – резисторов, стабилитрона, светодиода. Затем впаиваются конденсаторы, диодный мост.
Особое внимание обращайте на процесс установки мощного транзистора. Если перепутать его выводы – схема не заработает. Кроме того, этот компонент будет достаточно сильно греется под нагрузкой, потому его необходимо устанавливать на радиатор.
Последним устанавливается самая большая деталь – трансформатор. Далее к выводам его первичной обмотки припаивается сетевая вилка с проводом. На выходе блока питания тоже предусматриваются провода.
Осталось только хорошенько перепроверить правильность установки всех компонентов, смыть остатки флюса и включить блок питания в сеть. Если все сделано правильно, то светодиод будет светиться, а на выходе мультиметр покажет желаемое напряжение.
