Блок живлення для РА, виконаного на МОП-транзисторах

Наши партнеры ArtmMisto

Блок живлення для РА, виконаного на МОП-транзисторах

William E. Sabin, W 0 IYH. Оригінал статті опубліковано в журналі QEX, March / April 1999 року, pp. 50 ... 54

Польові МОП транзистори, розраховані на роботу при середніх напругах харчування, стають доступними і недорогими. Вони дозволяють отримувати пристойні потужності, але, от, блоки живлення для них на напруги 40 ... 50 В, зустрічаються рідко. Тут описується один з таких блоків, розрахованих для живлення підсилювача з вихідною потужністю 120 Вт.

В якості складової частини для широкосмугового РА на МОП транзисторах з вихідною потужністю 120 Вт, для отримання хороших інтермодуляционних характеристик (високої лінійності - UA 9 LAQ) в КВ діапазоні (1,8 ... 29,7 МГц), мені потрібен був хороший блок живлення з вихідною стабілізованою напругою 40 В при струмі навантаження 8 А, з можливістю збільшення вихідної напруги до 50 В при струмі 7 А. Блок живлення повинен був мати захист від перевантаження по струму, від збільшення напруги і короткого замикання. МОП транзистори вихідного каскаду РА повинні бути надійно захищені від ушкодження. Усвідомлюючи важливість поставлених завдань, я взявся за розробку блоку.

Я не став користуватися наявними схемами блоків живлення промислового виготовлення, тому, що, по-перше, вони, як правило розраховані на вихідну напругу 12 і 24 В, по-друге, що застосовуються там компоненти не витримують напруги в 40 ... 50 В [1] . Ось так і з'явилася схема, наведена на Fig. 1, яка задовольнила всі вище викладені вимоги і придатна для застосування з подібною РА (підсилювача потужності) апаратурою. Ця схема дуже схожа на просту схему, виконану на дискретних елементах, що була в ходу багато років (подивіться, наприклад, довідник ARRL за 1971 рік), в схему були внесені деякі поліпшення, і непогано було б їх обговорити, перш, ніж схема стане керівництвом до дії.

Силовий трансформатор був спеціально розрахований і зроблений Ronald 'o м Williams' ом, W 9 YZ [2], це був трансформатор моделі AV -574. Трансформатор розрахований на застосування в мережі змінного струму частотою 60 Гц, його первинна обмотка має відводи на 112, 117 і 122 В, вторинна - розрахована на напругу 36 В і струм 8 А. Випрямлена напруга, без навантаження, становить трохи більше 52 В. Я не міг знайти трансформатора з такими характеристиками ні в одному з доступних мені каталогів (нас ведуть до того ж: обмотувальний дріт для намотування саморобного трансформатора, часом варто вже дорожче готового трансформатора, потрібний трансформатор, однак, знайти досить складно - UA 9 LAQ). Цей трансформатор добре підходить для цього проекту і я, настійно, всім раджу застосувати такий. В принципі, трансформатори, що працюють на випрямляч з ємнісний навантаженням (перший конденсатор фільтра, що згладжує) повинні мати запас по середньо-квадратичним (RMS) значенням струму, в нашому випадку, бути розрахованими трохи більше, ніж на 8 А, для отримання на виході постійного струму в 8 А. Нагрівання трансформатора не перевищує допустимих значень і звичайний для любительської апаратури, так що, великий запас (хоч він і не заважає) робити не обов'язково, тим більше, що від цього страждають і масо-габаритні характеристики блоку живлення.

Хоча польові транзистори, що використовуються в моєму РА, розраховані на роботу при напрузі живлення до 50 В, я використовую тільки 40 В, для підстраховки - з запасом. При цьому легко виходить 120 вт вихідний потужності при низькому рівні спотворень. Цей неперебудовувані РА може бути використаний для роботи на антену або для розкачки більш потужного, наприклад, на лампі, підсилювача - за схемою з заземленою сіткою.

Fig. 1. Блок живлення для РА на МОП транзисторах. Схема принципова електрична. Якщо спеціально не вказано, то використовуйте резистори з потужністю розсіювання 0,25 Вт з допуском 5% вуглецеві або плівкові. RS = Radio Shack - номер деталі.

Специфікація на деталі до блоку живлення

опис схеми

На Fig. 1 транзистор Q 1 управляє по базах транзисторами Q 2 ... Q 5, включеними паралельно. Вихідна напруга (24 ... 40 В - встановлюється) ділиться дільником на резисторах R 1, R 3 і подається в ланцюг бази транзистора Q 6. Ця напруга порівнюється з високостабільним, звільненим від фону (згладженим) напругою 17 В, що надходять з інтегрального стабілізатора LM 317 на емітер транзистора Q 6. А колектор Q 6 управляє ланцюгом бази транзистора Q 1. "Круг" (петля регулювання стабілізатора) замкнулося. LM 317 не може "витримувати" по входу "повні" 50 В, тому потужний стабілітрон (5 Вт) D 7 "гасить" 22 В.

Обмеження струму здійснюється транзистором Q 7. Коли струм досягне значення в 8 А, падіння напруги на резисторах R 4 і R 5 відкриє Q 7. А він зменшить напругу на базі Q 1, обмежуючи, таким чином, струми через транзистори

Fig. 2. Діаграма зони надійної роботи (ЗНР) транзистора 2 N 3772.

Q 2 ... Q 5, значенням, що не перевищує цих 8 А, також почне знижуватися вихідна напруга. Діоди D 2 і D 3 обмежують діючий струм бази Q 7 до безпечної величини. Ця схема також володіє зворотним зв'язком. Постійний за величиною струм в 6 мА протікає через резистори R 6 і R 7. Цей струм визначається Q 8, R 8 і 17-вольта джерелом зразкового напруги. Якщо вихідна напруга впаде до 17 В, або буде близько того, діод D 4 запрётся. Струм короткого замикання швидко зменшиться до величини приблизно 4 А, оскільки на резисторах R 6 і R 7 не буде більше падіння напруги. Постійна величина струму, що протікає в 6 мА надійно забезпечує те, що обмеження струму і зворотний зв'язок працюватимуть однаково як при 24 В, так і при 40 В.

Це - привід для застосування установочного (від 24 до 40 В) підлаштування резистора. Розробляючи РА, поганяйте його напруга живлення (більше - менше) на різних частотах, щоб перевірити його на паразитную генерацію або ще якісь неприємності, яких можна від його (підсилювача) очікувати [3, 4]. У новій розробці ми значно піднімемо напругу і подивимося на те, що може вплинути на МОП транзистори або перегріти їх.

Проблема з'являється в ланцюзі колектора транзистора Q 6, а то й встановлено діод D 1. Якщо вихідна напруга опуститься нижче 17 В, то опорна напруга пройде через діод D 5 на базу Q 6 і через прямосмещённий тепер перехід база-колектор. Напруга на колекторі, таким чином, буде обмежена величиною 17 В, що вимкне схему захисту від к. З. Це призводить до пошкодження одного або кількох транзисторів (Q 1 ... Q 7), так що, діод D 1 є необхідною, "критичним" компонентом. Діод D 4 необхідний з цієї ж причини. Діод D 5 запобігає зворотному зміщення переходу емітер-база Q 6, яка не

Fig. 3. Зовнішній вигляд блоку живлення. Перемикач напруги по первинній обмотці Т1 розташований на лівій стінці шасі. Правильно орієнтуйте радіатор: потік повітря повинен йти знизу вгору, Запобіжник по змінному струмі розташований зліва від запобіжника по постійному струму на передній стінці шасі БП.

рекомендується виробниками транзисторів. (Пробивна напруга зворотного зсуву емітер - база невелика, приблизно 5 В - Примітка редактора журналу). Цей блок живлення, дійсно, - "звір", а ось транзистори MPS 2222А - слабенькі і тому потребують надійному захисті.

Сенс у використанні незвично великого опорного напруги в 17 В пояснюється тим, що, в цьому випадку, зменшується девіація падіння напруги на резисторі R 1 через протікання струму через резистор R 3. А це дозволяє збільшити посилення в петлі стабілізатора. Висока опорна напруга зменшує також напруга на переході колектор-емітер транзисторів Q 6 і Q 8 і розсіювання потужності в мікросхемі U 2. Надвисокий коефіцієнт стабілізації в цій схемі не потрібен (оскільки стабілізатор призначений для харчування РА), але такий досить високий. Флуктуації вихідної напруги стабілізатора на залежною від голосу навантаженні (робота, наприклад, на SSB) практично повністю виключені петлею стабілізатора, що працює в широкій смузі частот. Конденсатор С5 і комбінація резисторів R 4, R 5 з вихідним опором транзисторів Q 2 ... Q 5 допомагають встановити смугу пропускання у відкритій петлі, але С5 не є хорошим розв'язують по РЧ компонентом, тому, для усунення можливого самозбудження, застосований додатковий розв'язують конденсатор С6. Q 9, D 8, D 9, R 9, R 10 запобігають надмірне підвищення вихідної напруги стабілізатора. Якщо, з якоїсь причини вихідна напруга досягне величини в 47 В, тиристор відкриється і

Fig. 4. Форма під шасі блоку живлення. Білий дріт від анода тиристора Q 9 (корпус ТО-220, центральний висновок) над платою, потім, під платою, йде прямо до держателю запобіжника. R 18 приєднаний безпосередньо між базою і колектором Q 1 (зліва на фото). Зліва внизу плати видно білі блоки резисторів R 4 і R 5, вони розташовані на деякій відстані від плати - гріються.

згорить 10-приміщення повинна бути захищена запобіжник. Цим вся постояннотоковая частина схеми буде моментально відключена. Величина опору резистора R 10 підбирається експериментально, по надійному відключення стабілізатора при досягненні вихідним його напругою рівня в 47 В. У той же час діод D 6 забезпечує коротке замикання на корпус через тиристор Q 9, який швидко розряджає конденсатор С5 і можливі, що знаходяться в РА . D 6 також запобігає несанкціоновану провідність транзисторів Q 1 ... Q 5, яка може пошкодити останні.

Факт щодо Q 1 ... Q 5 цікавий: у популярного транзистора 2 N 3055 пробивну напругу 60 В, так що він не підходить по надійності. У транзисторів 2 N 3773 - пробивна напруга вже 140 В, а коштує він всього на 1 долар дорожче попереднього. На особливу увагу заслуговує, так звана, зона надійної роботи (ЗНР = англ. SOAR) цих транзисторів. Скориставшись техдокументації, взятої з сайту фірми Motorola http: // www .mot .com , Ми отримали спрощену діаграму для ЗНР по постійному струму (Fig. 2). При напрузі колектор-емітер дорівнює 50 В, відповідному короткого замикання в навантаженні, небажаним виявляється протікання струму в 2 А по кожному з чотирьох транзисторів (згадаємо, ток стабілізатора обмежений величиною 8 А - UA 9 LAQ) -

Fig. 5. Ескіз монтажної плати блоку живлення (стабілізатора) допомагає ідентифікувати компоненти на Fig. 4.

показано на діаграмі як точка Х. Зворотній зв'язок зменшує цей струм до 1 А на транзистор (точка Y), це положення - куди надійніше, ніж перше. Зменшення струму відбувається в дійсності і надійно повторюється при черговому К.З. Завдання радіатора, в разі виникнення К.З., полягає в здатності підтримувати температуру корпусів транзисторів Q 2 .... Q 5 на рівні не вище 60 градусів Цельсія [5], оскільки висока температура значно зменшує ЗНР, як видно з техдокументації на транзистори . Зворотній зв'язок, і в цьому випадку, надає неоціненну послугу. Зворотній зв'язок, зменшуючи струм короткого замикання, зменшує і нагрів силового трансформатора, якщо стан короткого замикання затягнеться надовго. Постає питання, чому б, не використовувати менший за розмірами радіатор і ще зменшити струм короткого замикання? Я вирішив, що при будь-якому експерименті, проведеному мною при 24 В і струмі 8 А, радіатор повинен розсіювати (52 В - 24 В) х 8 А = 224 Вт (по 56 Вт на кожний з включених паралельно транзисторів), так що і рекомендую "великий" радіатор (чого вже там якась дрібниця ток К.З. в 1 А і розсіює потужність в 28 Вт (Hi!) - UA 9 LAQ). Що ж збільшення потужності, що розсіюється на регулюючому транзисторі (транзисторах), при збільшенні струму навантаження, це - недолік стабілізаторів напруги послідовного типу.

конструкція

На Fig. 3 і Fig. 4 можна бачити конструкцію блоку живлення подетально. Розміри шасі: 9 х 7 х 2 дюйма (226,8 х 176,4 х 50,4 мм). Для запобігання випадків необхідна наявність нижньої захисної кришки, всередині обклеєній ізоляційним матеріалом, до неї можна приклеїти знизу і гумові опорні ніжки. Друкована плата містить низьковольтну частина схеми як видно з Fig. 1. Я "пришпилив" її за допомогою двох гвинтів кріплення трансформатора Т1, можна закріпити плату і іншим способом. Особливу увагу потрібно приділити загального проведення (достатня розтин, короткі дроти, надійне з'єднання з корпусом, якщо таке передбачено - UA 9 LAQ). Дуже важливо, щоб провід від F 2 був безпосередньо з'єднаний з анодом тиристора Q 9, а не через фольгу доріжки друкованої плати. Друкована доріжка не витримає струму спалює 10 А запобіжник. Це показано на Fig. 4. Друковану плату можна придбати в FAR Curcuits [6]. Для перемикання відводів первинної обмотки силового трансформатора Т1 під чинне в мережі змінного струму напруга можна встановити перемикач, який, однак, не слід перемикати, що не відключивши Т1 від мережі, щоб уникнути підгоряння контактів перемикача. Конденсатор С1 запасає багато енергії: (53 В) ^ 2 · (17000 мкФ) · (0,5) = 23,9 Дж. Цієї енергії достатньо, щоб, при випадковій розрядці конденсатора, зробити гучний хлопок і спалити будь-яку деталь (можуть розлітатися фрагменти металу - бережіть очі! - UA 9 LAQ). Діоди випрямного моста повинні бути розраховані на зворотне робочу напругу не менше 100 В. Щоб швидко розрядити конденсатор після вимкнення напруги живлення блоку, замкніть його вихідні затискачі накоротко. Струм буде обмежений величиною в 4 А і конденсатор С1 досить швидко (але плавно) розрядиться. С1 кріпиться вивідними гвинтами на платі з ізоляційного матеріалу розмірами 2 1/2 х 2 1/2 дюйма (63 х 63 мм). Обидва висновки ізольовані від загального проводу великими отворами, просвердленими в шасі. Як R 1, R 3, R 8, R 11 і R 12 рекомендується застосовувати металлоплёночние резистори з допуском 1%. Як R 2 повинен використовуватися високоякісний потенціометр з потужністю розсіювання не менше 2 Вт. R 6, R 7 і R 18 повинні бути підібрані так, щоб їх номінали розрізнялися не більше, ніж на 5% або використовувати такі з ряду металлоплёночних з допуском 1% без підбору.

Радіатор для Q 2 ... Q 5 типу Wakefield 441 K (при монтажі використовуйте слюдяні шайби-прокладки). Використовувати щось більш мініатюрне не рекомендується з причин, викладених вище. R 13 ... R 16 і D 6 також змонтовані на цьому радіаторі з використанням хомутів або ізоляційних стійок. Зверніть увагу на правильну орієнтацію радіатора: конвекційний потік повітря повинен входити через нижню частину радіатора і угору летіти, охолоджуючи його. Транзистор Q 1 змонтований на радіаторі типу Wakefield 621 A також з використанням слюдяних шайб - прокладок. Для монтажу потужних провідних ліній, показаних на Fig. 1, використаний провід # 12. На Fig. 4 показаний спосіб закладення (пайки) цих проводів в друковану плату. R 4 і R 5 повинні бути змонтовані на відстані в 1/8 дюйма (3 мм) від плати, оскільки нагріваються. Струм фону (пульсацій) до конденсатору С1 не повинен протікати через шасі, повинен бути заземлений на шасі єдиною індивідуальної точкою за допомогою пелюстки, в монтажному вузлі, як показано на Fig. 1. Конденсатор С5 встановлений безпосередньо між негативним і позитивним монтажними вузлами, а резистор R 1 встановлений в безпосередній близькості від позитивного монтажного вузла. Трьохпровідний з'єднувальний шнур живлення має в своєму складі провід з ізоляцією зеленого кольору, з'єднайте цей провід з шасі блоку живлення, щоб уникнути неприємностей. Всі високовольтні ланцюги повинні бути ретельно ізольовані. Вторинна напруга в 50 ... 55 В, що застосовується в даному блоці живлення, вже може становити небезпеку. Ми звикли "пхати руки" в наші транзисторні конструкції і "колупатися" в них під напругою. З цією конструкцією такі "жарти" не проходять. Підбір опору резистора R 10 здійснюється наступним чином: приєднаєте резистор опором 10 кОм паралельно резистору R 3, щоб вихідна напруга стабілізатора могло бути підвищено підлаштування резистором R 2 до, приблизно, 47 В. Підберіть величину опору резистора R 10 так, щоб 10 А запобіжник F 2 цієї статті не згорав при вихідних напругах стабілізатора до 47 В. Потім видаліть додатково встановлений резистор 10 кОм. Застосовувати при підборі R 10 підлаштування резистори не рекомендується.

Перед включенням блоку в мережу, найретельнішим чином все перевірте за допомогою омметра, усуньте всі замикання, деталі повинні бути справні, а монтаж повинен відповідати принциповій схемі ... Перше включення краще провести з регульованим мережевим автотрансформатором (ЛАТР), якщо такий є. Спостерігайте за зростанням вихідної напруги блоку харчування при його регулюванні. Переконайтеся, що резистор R 2 працює надійно. Наступним кроком буде максимальне навантаження блоку живлення, так щоб струм, споживаний від стабілізатора, був, порядку, 8 А. Перевірте, як працює функція обмеження стабілізатором максимального струму. Потім, замкніть накоротко висновки стабілізатора і виміряйте струм короткого замикання. Його величина повинна складати 4 А.

Варіант стабілізатора з вихідною напругою 50 В

Описаний тут блок живлення может буті модернізованій під віхідна напряжение 30 ... 50 В. Avatar [2] может поставити (віслаті) трансформатор c віхідною напругою 45 В і Струм 7 А. Ємність конденсатора С1 винна Скласти 10000 мкФ на РОбочий напругу 100 В; 70 В - сильно зніжують Надійність блоку. Стабілітроні (діоді Зенера) D 7 та D 8 (но ніж D 9) повінні буті розраховані на 30 В (1 N 5363 B). Опорна напруга має становити 25 В (R 11 = 1180 Ом, допуск 1%) для того, щоб Q 6 і Q 8 продовжували "відчувати себе" добре при своїх технічних допуски. При вихідних напругах від 30 до 50 В, R1 = 1,25 кОм і R 3 = 3,75 кОм, при опорному напрузі 25 В і, якщо R 2 = 2,5 кОм. Тиристор Q 9 повинен спрацьовувати при напрузі, приблизно, 55 В.

Примітки: 1. Проводиться чіп високовольтного стабілізатора з регульованим

вихідною напругою, але його дуже важко дістати, по мені не

зрозумілих причин. Зачекайте рік - інший, може бути

з'явиться у продажу.

2. Avatar Magnetics, 240 Tamara Tr., Indianapolis, IN, 46217. Зв'язок з

поштою (листами).

3. Dye and Granberg, Radio Frequency Transistors, Butterworth - Heinemann,

+1993.

4. Sabin and Schoenike, Single - Sideband Systems and Curcuits, McGraw-

Hill, 1987/1995; або HF Radio Systems and Curcuits, Noble Publishing

(Crestone), 1998..

5. Подивіться в "сучасному" Довіднику ARRL за будь-який рік

розділ про блоки живлення і дискусію про застосування радіаторів.

6. FAR Curcuits продає друковані плати під цей проект за ціною 8

доларів плюс 1,5 долара - накладні витрати. за

додаткову плату в 3 долари розрахуватися можна з

кредитної картки. Їх адреса: FAR Curcuits, 18 N 640 Field Ct, Dundee,

IL 60118; телефон / факс: 847-836-9148; www. cl. ais. net / farcir /.

Вільний переклад з англійської: Віктор Бесєдін (UA9LAQ) [email protected]
м Тюмень січень, 2003 р