Site Loader
Posted on 23.02.2023

Двухполярный стабилизатор напряжения с водяным охлаждением

Компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного действия последовательного типа обладают невысоким КПД, однако большим коэффициентом стабилизации и низким выходным сопротивлением. Поэтому они всё ещё имеют широкое распространение. Однако им свойственна низкая надёжность при перегрузке или замыкании в нагрузке. Это особенно опасно для транзисторных устройств, поэтому приходится вводить в стабилизаторы сложные узлы защиты с датчиками тока. В рассматриваемом в этой статье мощном двухполярном стабилизаторе напряжения выходной ток ограничен. Устройство не боится перегрузок и может работать на фильтрующие конденсаторы большой ёмкости.

Анализ схем УМЗЧ позволяет сделать вывод о том, что для питания их выходных ступеней стабилизаторы напряжения непрерывного действия применяют редко. Причины этого — высокая стоимость таких стабилизаторов, большие энергетические потери при их применении, а главное — «и так сойдёт», ведь работает и без стабилизатора.

Когда стабилизатора нет, напряжение питания усилителя меняется в зависимости от нагрузки в широких пределах (в AV-ресивере «Pioneer-714» — 30…50 В). Дело в том, что среднее выходное напряжение выпрямителя с ёмкостным фильтром сильно зависит оттока нагрузки. Причём конденсаторы фильтра заряжаются импульсами в каждом полупериоде сетевого напряжения. Процесс может занять несколько полупериодов, и это частично передаётся в нагрузку УМЗЧ.

В радиолюбительской литературе неоднократно высказывалось мнение о необходимости питать УМЗЧ от стабилизированного источника для обеспечения более естественного звучания. Действительно, при максимальной выходной мощности усилителя размах пульсаций напряжения нестабилизированного источника достигает нескольких десятков вольт. Это незаметно на пиковых значениях высокочастотных составляющих звуковых сигналов, но сказывается при усилении их низкочастотных составляющих большого уровня, пики которых имеют большую длительность. В результате фильтрующие конденсаторы успевают разрядиться, снижается напряжение питания, а значит, и пиковая выходная мощность усилителя. Если же снижение напряжения питания таково, что приводит к уменьшению тока покоя выходных транзисторов усилителя, это может вызывать дополнительные нелинейные искажения.

Кардинальный способ подавления пульсаций и нестабильности напряжения питания — его стабилизация. Стабилизатор снижает пульсации напряжения на линиях питания на один-два порядка, что позволяет без труда получить максимальную амплитуду выходного сигнала усилителя. Кроме снижения уровня фона частотой 50 (100) Гц, уменьшаются также нелинейные искажения и вероятность ограничения сигнала на пиках громкости. Увеличивается запас по предельно допустимым параметрам транзисторов выходной ступени усилителя. Снижается вероятность проникновения сетевых помех на выход усилителя.

Кроме того, применение стабилизатора позволяет упростить усилитель, что благотворно сказывается на звуке. Ещё один плюс — функцию защиты выходной ступени усилителя от перегрузки тоже можно поручить стабилизатору.

Из минусов — реализация мощного и надёжного стабилизатора напряжения непрерывного действия становится существенной финансовой проблемой и технически непростой задачей. Помимо этого, возникает необходимость отводить от силовых транзисторов стабилизатора большое количество тепла. Суммарные КПД и рассеиваемая мощность усилителя вместе со стабилизатором гораздо хуже, чем без него.

Для повышения качества источника питания в нём желательно применить сетевой трансформатор с пониженной индукцией. Как известно, пусковой ток обычных трансформаторов достигает значений, значительно превосходящих рабочий ток. Уменьшение амплитуды индукции в магнитопроводе вдвое значительно повышает надёжность, уменьшает поток рассеивания трансформатора и уменьшает его пусковой ток до значения, не превышающего номинальный ток холостого хода. Однако меньшая индукция приводит к увеличению необходимого числа витков обмоток и, как следствие, к ухудшению массогабаритных показателей трансформатора, его стоимости и возрастанию потерь энергии на активном сопротивлении обмоток. Но ведь речь идёт о действительно высококачественном звуковоспроизведении, не так ли? А звучание усилителя, питающегося стабилизированным напряжением, существенно лучше по сравнению со звучанием того же усилителя без стабилизатора.

Двухполярный стабилизатор напряжения, схема которого изображена на рисунке, предназначен для питания УМЗЧ.

Рис. Двухполярный стабилизатор напряжения

 

Основные технические параметры

Число каналов стабилизации ………………………2

Выходные напряжения, В ………….+41 и -41

Максимальный ток нагрузки каждого канала, А …………… 4

Размах пульсаций при токе нагрузки 4 А, мВ……………4,7

Рассеиваемая мощность при максимальном токе нагрузки, Вт………………180

Он состоит из двух независимых стабилизаторов напряжения положительной и отрицательной относительно общего провода полярности. Верхняя часть схемы относится к стабилизатору положительной полярности, а нижняя — отрицательной полярности. Схема стабилизатора отрицательной полярности представляет собой, по существу, зеркальное отражение схемы стабилизатора положительной полярности. Поэтому подробно рассмотрим только стабилизатор напряжения положительной полярности.

Переменное напряжение, снимаемое с обмотки II трансформатора T1, выпрямляет двухполупериодный выпрямитель на сдвоенных диодах Шотки VD3 и VD4 SR30100P, имеющих изолированный корпус, поэтому их удобно крепить на общем теплоотводе.

Через помехоподавляющий дроссель L1 выпрямленное напряжение поступает на сглаживающие и помехоподавляющие конденсаторы C8-C16 и далее на уравнивающие эмиттерные токи параллельно соединённых транзисторов VT1-VT9 резисторы R3-R11. Эти резисторы имеют довольно большое сопротивление, что способствует эффективной «изоляции» коллекторных цепей транзисторов VT1 -VT9 от сетевых помех.

Вместе с транзистором VT20 транзисторы VT1-VT9 образуют мощный составной транзистор с большим коэффициентом усиления тока. Базовый ток транзистора VT20 втекает в коллектор транзистора VT22. Транзистором VT22 управляет напряжение с выхода ОУ DA3.1.

К выходу стабилизатора подключены соединённые последовательно стабилитроны VD13, VD14, суммарное напряжение стабилизации которых служит образцовым для рассматриваемого стабилизатора. Вместо стабилитронов можно установить резистор такого сопротивления, чтобы вместе с резистором R29 он обеспечивал нулевой потенциал в точке их соединения при номинальном выходном напряжении стабилизатора. Но по сравнению со стабилитронами это менее эффективный вариант. Сдвинутый стабилитронами или резистором потенциал в системе стабилизации представляет собой сигнал рассогласования и поступает на инвертирующий вход ОУ DA3.1, неинвертирующий вход которого соединён с проводом «0».

Имейте в виду, что провода «О» и «Общ.» должны быть соединены между собой и с общим проводом питаемого от стабилизатора устройства (усилителя) на плате последнего. Это значительно уменьшает уровень наводок и помех в стабилизированном напряжении. Резистор R21 обеспечивает работоспособность стабилизатора, когда к нему не подключён усилитель.

В процессе работы ОУ непрерывно сравнивает потенциал на своём инвертирующем входе с нулевым потенциалом на неинвертирующем входе. Далее он так управляет транзистором VT22, а вместе с ним и составным транзистором VT20, VT1-VT9, чтобы на выходе стабилизатора поддерживалось заданное напряжение.

Предположим, напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось вследствие увеличения тока нагрузки. Потенциал на инвертирующем входе ОУ DA3.1 станет отрицательным относительно неинвертирующего, и напряжение на выходе ОУ увеличится. Это приведёт к увеличению коллекторного тока транзистора VT22, а с ним базового и эмиттерного тока транзистора VT20. В результате увеличится суммарный коллекторный ток транзисторов VT1-VT9, компенсируя приращение тока нагрузки. Выходное напряжение вернётся к прежнему значению.

Устройство мягкого старта на транзисторе VT19 и реле K1 обеспечивают плавное нарастание напряжения на батарее конденсаторов C28-C30, С34- C63 при подключении стабилизатора (первичной обмотки трансформатора T1) к сети. В этот момент через резистор R2 начинает течь ток, заряжающий конденсатор C27. Когда через 30…35 с напряжение, приложенное к стабилитрону VD9, достигает 36 В, он открывается. Это приводит к открыванию транзистора VT19 и срабатыванию реле K1, которое переключает резисторы, ограничивающие выходной ток стабилизатора.

Пока реле не сработало, этот ток ограничен резистором R32 до 450…650 мА, что устраняет бросок тока зарядки батареи конденсаторов С28-СЗО, С34-С63 общей ёмкостью более 100000 мкФ. Сработавшее реле подключает параллельно резистору R32 резистор R35. С этого момента стабилизатор может отдавать в нагрузкуток, достигающий 4 А.

При случайном замыкании выхода стабилизатора с общим проводом ток тоже не превысит 4 А, но резко увеличится мощность, рассеиваемая на транзисторах Vt1-VT9. Однако она не превысит 25 Вт на каждый транзистор. Из этого следует, что стабилизатор напряжения надёжен и не боится замыканий в нагрузке.

Чтобы точно установить уровни ограничения тока, необходимо временно заменить резистор R32 переменным резистором сопротивлением около 500 кОм, а резистор R35 не устанавливать. Движок переменного резистора переведите в положение максимального сопротивления. Замкнув выход стабилизатора амперметром, включите стабилизатор и плавно уменьшайте сопротивление переменного резистора, наблюдая за показаниями амперметра. При достижении требующегося безопасного пускового тока выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным резистором такого же сопротивления.

Затем вместо резистора R35 подключите переменный резистор сопротивлением 100 кОм, а к выходу стабилизатора через амперметр — максимальную нагрузку. Включите стабилизатор и дождитесь срабатывания реле. После этого начинайте плавно уменьшать сопротивление переменного резистора. При достижении номинального напряжения стабилизации и заданного максимального тока нагрузки выключите стабилизатор, измерьте введённое сопротивление переменного резистора и замените его постоянным.

Такую же процедуру нужно выполнить и со стабилизатором отрицательного напряжения. Нельзя просто устанавливать резисторы R33 и R36 такого же сопротивления, как соответственно R32 и R35. Дело в том, что коэффициенты передачи тока у транзисторов, применённых в обоих стабилизаторах, существенно различаются. Например, у транзисторов 2SA1943 он — около 140, а у 2SС5200 — только 85.

Трансформаторы T1 и T2 — заказные с пониженной индукцией и вторичными обмотками на 2×54 В (со средними выводами) при токе нагрузки 5 А. Трансформаторы устанавливают каждый со своей стороны в самой нижней части теплообменника (акваблока) системы водяного охлаждения стабилизатора. Акваблок служит своеобразным шасси, на котором размещены все узлы устройства. Перед установкой трансформаторов для них формуют с помощью эпоксидной смолы идеально плоские посадочные площадки. Затем резьбовыми шпильками М12 трансформаторы прижимают к акваблоку.

В режиме холостого хода напряжение на выходах выпрямителей (входах собственно стабилизаторов) — 76 В. При подключении к выходу стабилизатора нагрузки сопротивлением 10 Ом оно падает до 64 В. Если необходим больший ток нагрузки, например 10 А, то номиналы резисторов R3-R20 следует уменьшить до 10 Ом.

Диоды-супрессоры VD1 и VD2 предназначены для гашения перенапряжений во время переходных процессов, сопровождающих включение стабилизатора в сеть.

При правильном монтаже и сборке стабилизатор начинает работать без каких-либо проблем. При непрерывной нагрузке током 4 А на транзисторах VT1-VT9 рассеивается мощность около 60 Вт (по 6 Вт на каждом транзисторе). На каждом из резисторов R3-R11 — по 4 Вт. Совместно стабилизаторы напряжения положительной и отрицательной полярности рассеивают около 180 Вт. Две пары стабилизаторов для питания усилителей левого и правого стереоканалов, установленные на общем акваблоке, рассеивают 360 Вт.

Акваблок состоит из двух отрезков дюралюминиевой шины сечением 100×10 мм и длиной 1000 мм, стянутых винтами по периметру. Для герметизации стыка между шинами применён автомобильный герметик. На внутренней поверхности каждой шины отфрезерованы по две параллельные канавки размерами 960x15x4 мм, по которым течёт охлаждающая вода. Общее сечение водопроводящего канала — 15×8 мм, его суммарная длина — 1920 мм, расход воды — 0,75 л/мин, температура воды на входе акваблока — 24 °C, на выходе — 29 °C. Вода поступает из водопровода через одноступенный фильтр.

Четырёхлетний опыт эксплуатации такой открытой системы водяного охлаждения показал стабильность её тепловых параметров. Но систему можно сделать и закрытой с циркуляцией дистиллированной воды через акваблок и внешний автомобильный радиатор.

Транзисторы VT1-VT18 смонтированы на печатной плате с алюминиевой подложкой, прижатой к акваблоку с применением теплопроводной пасты. Температура поверхности платы — около 34 °C. Транзисторы 2SA1943 и 2SС5200 нагреваются до температуры около 50 °C. Испытания показали, что эта температура в течение трёх часов работы оставалась неизменной.

Описанная система охлаждения компактна, эффективна и абсолютно бесшумна. Она позволяет отводить около киловатта тепловой мощности. В качестве сигнализатора аварийного отсутствия проточной воды в системе в подводящем её трубопроводе установлен датчик давления ДРД-40. Он идеально подходит для стандартной водопроводной сети. При аварийном отключении воды контакты этого датчика размыкаются и отключают стабилизатор от электрической сети.

Кроме того, необходимо установить датчики температуры на одном или нескольких транзисторах 2SA1943, которые, как показала практика, нагреваются сильнее, чем транзисторы 2SС5200. Такие же датчики рекомендуется установить и на трансформаторах.

Автор: В. Федосов, г. Краснодар

Двухполярные стабилизаторы напряжения для микроконтроллеров

Если имеются стабилизаторы положительного напряжения, то по логике вещей должны быть и стабилизаторы отрицательного напряжения. Строятся они по комплементарным симметричным схемам, т.е. с другой структурой проводимости транзисторов и с противоположной полярностью включения диодов, стабилитронов, электролитических конденсаторов.

Классификация стабилизаторов отрицательного и положительного напряжения одинакова: параметрические на стабилитронах и компенсационные на интегральных микросхемах. В последнем случае выручает схожесть названий. Например, эквивалентом для «положительной» серии 78хх является «отрицательная» серия 79хх.

Сам по себе стабилизатор отрицательного напряжения интереса не представляет (всё в мире относительно!). Эффект от его применения наблюдается только при двухполярном питании. Такая необходимость возникает, в частности, если в устройстве кроме МК используются внешние ОУ, коммутаторы, АЦП.

На выходах стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения ставят сглаживающие электролитические конденсаторы. В малогабаритной аппаратуре удобно применять «SMD-столбики» ёмкостью 1…10000 мкФ, рассчитанные на рабочее напряжение 6.3… 100 В. Кроме того, при выборе типа электролитического конденсатора надо учитывать динамические параметры. Наиболее показательными из них являются предельный ток пульсаций RIPPLE (Ripple Current) — чем он больше, тем лучше, а также эквивалентное последовательное сопротивление ESR (Equivalent Series Resistance, по-русски ЭПС) — чем оно меньше, тем лучше. Динамические параметры для зарубежных конденсаторов нормируются на частоте 120 Гц или в диапазоне 100…300 кГц.

Конденсатор, рассчитанный на большее напряжение, имеет меньшее сопротивление ESR. Например, у конденсатора 1000 мкФхб. З В по даташиту ESR = 53 мОм, а у конденсатора 1000 мкФх1б В по даташиту ESR = 23 мОм. Дальнейшее увеличение напряжения с 16 В до 35… 100 В не приводит к заметному снижению ESR. Следовательно, при питании МК от 5 В лучше поставить между Усс и GND конденсаторы с напряжением 16 В, а не на 6.3 В (заодно повышается надёжность работы).

ESR одного «большого» конденсатора обычно выше, чем ESR двух параллельных конденсаторов вдвое меньшей ёмкости, что видно из Табл. 6.4, поэтому выгодно по питанию запаять много «мелких» конденсаторов, равномерно распределяя их на печатной плате.

На Рис. 6.7, а…е показаны схемы параметрических, а Рис. 6.8, а…г — компенсационных двухполярных стабилизаторов напряжения.

Рис. 6.7. Схемы параметрических двухполярных стабилизаторов напряжения {начало)’.

а) два однополупериодных выпрямителя на элементах VDI, C1 и VD2, С2обеспечивают двух-полярное питание. Одинаковые стабилитроны VD3, VD4 создают примерно равную нагрузку на трансформатор 77 при положительной и отрицательной полуволнах сетевого напряжения. Это необходимо для устранения подмагничивания сердечника трансформатора 77. С той же целью применяется двухцветный (а не одноцветный) индикатор питания HL1, который проводит ток попеременно в обоих направлениях и светится суммарным жёлтым цветом;

б) двухполупериодный мостовой выпрямитель со средней точкой во вторичной обмотке трансформатора 77. Два стабилизатора напряжения выполнены по симметричным схемам. Они содержат стабилитроны VD2, VD3 и усилители тока на транзисторах VTI, VT2. Частота пульсаций двухполупериодной схемы — 100 Гц, что пригодится при расчёте необходимой ёмкости конденсаторов С1…С4

в) источник несимметричного двухполярного питания на батареях GBI, GB2. Эффект стабилизации создают сами батареи, поскольку они длительное время поддерживают на своих зажимах почти не изменяющееся напряжение; О

Рис. 6.7. Схемы параметрических двухполярных стабилизаторов напряжения (окончание):

г) получение двухполярного стабилизированного напряжения от трёхфазной сети 380 В. Конденсаторы C1…C3балластные. Снижение пульсаций на входе осуществляется фильтрами L1, С4, L2, С5, а на выходе — конденсаторами С6, С7. Транзисторы VTI, VT2 применяются одинаковой проводимости, поскольку не существует трёхвыводных стабилитронов VD7, VD8 обратной, т.е. «отрицательной», полярности. Аналогичную схемотехнику можно использовать и в сети 220 В, подавая переменное напряжение с диодного моста прямо на катушки индуктивности L1, L2. Ёмкости всех электролитических конденсаторов фильтра придётся увеличить, поскольку в трёхфазном выпрямителе частота пульсаций выше;

д) двухполярное питание от батареи GB1 с искусственной средней точкой на низкоомном делителе RI, R2. Собственно стабилизатором является сама батарея, которая поддерживает мало изменяющееся напряжение на своих зажимах вплоть до момента полного разряда. Конденсаторы C1…С5 снижают импеданс источника питания на низких и высоких частотах. Все электро-литтические конденсаторы в целях унификации можно выбрать одинаковыми на 16 В, несмотря на то, что рабочее напряжение конденсаторов С2, C3 может быть меньше, чем у C1;

е) двухполярное питание обеспечивают два трёхвыводных стабилитрона VDI, VD2. Если не требуется двухполярное питание, то можно использовать однополярное 5 В, подключив общий провод GND к цепи -2.5 В, а положительный вывод Vcc — к цепи +2.5 В.

Рис. 6.8. Схемы компенсационных двухполярных стабилизаторов напряжения:

а) организация искусственной средней точки от одного источника питания. Компенсационный стабилизатор DA 1 находится в канале положительного напряжения, а параметрический стабилизатор на диодах VD2… VD4 — в канале отрицательного напряжения;

б) микросхема DAJ понижает входное напряжение до +5 В, а преобразователь DA2 (фирма Calogic Corporation) инвертирует полярность с сохранением абсолютного значения. Суммарный ток нагрузки по цепям +5 и -5 В не должен превышать 100 мА (максимально допустимый ток для DA1). Напряжение в канале -5 В зависит оттока нагрузки больше, чем в канале +5 В;

в)двухполярный стабилизатор напряжения на комплементарных микросхемах DAI, DA2. Диоды VD2, VD3 защищают радиоэлементы в каналах +5 и -5 В от подачи обратного напряжения. Такое может случиться при аварии или переходных процессах, когда одно из напряжений временно отсутствует. Если сопротивление Rn очень велико, то диоды VD2, VD3 не нужны;

г) стабилизаторы DAI, DA2 такого же типа, но в «перевёрнутом» включении.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

Биполярные силовые решения для прецизионных испытательных и измерительных систем

от Алан Уолш