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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Fonte de corrente e tensão CC de laboratório
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de alimentação Essa fonte de alimentação de laboratório para equipamentos de rádio é o resultado das atividades práticas de um pequeno grupo de rapazes do clube de engenharia de rádio para adolescentes "Radar" (Penza). É de interesse para quem desenvolve equipamentos utilizando amplificadores operacionais e microcircuitos modernos que requerem tensões de alimentação simples e bipolares, ajustáveis em uma faixa bastante ampla. Uma característica especial desta fonte de alimentação de laboratório é a unidade de proteção. Sabe-se que para alguns microcircuitos projetados para serem alimentados por uma fonte de tensão bipolar, uma situação em que falta um deles é inaceitável. Para eliminar tais situações, a unidade proposta disponibiliza um sistema de proteção que bloqueia o funcionamento de qualquer um dos braços do dispositivo de alimentação quando ocorre um curto-circuito no outro braço. Uma vez eliminada a causa do curto-circuito, a fonte de alimentação retorna automaticamente à operação normal. Especificações do dispositivo
Os parâmetros do dispositivo no modo fonte de tensão correspondem aos dados de referência dos estabilizadores de tensão do microcircuito nele utilizados [1, 2]. Estruturalmente, consiste em dois blocos funcionalmente completos: uma fonte de alimentação de carga bipolar e uma unidade de proteção de circuito, montadas em placas de circuito impresso separadas. O diagrama do primeiro desses blocos é mostrado na Fig. 1. Os enrolamentos II e III do transformador de rede T1, pontes de diodos VD1 - VD4 e VD5 - VD8 formam uma fonte de tensão bipolar não estabilizada +23...24 V, alimentando todos os componentes e blocos do dispositivo. A fonte de alimentação do microcircuito DA1 em seu terminal negativo é o estabilizador de tensão R11VD14, e o microcircuito DA3 é o estabilizador R1VD9.
Em termos de funcionamento e projeto do circuito, ambos os braços da fonte de alimentação são simétricos, por isso consideraremos com mais detalhes o funcionamento de apenas um deles - o positivo. Uma tensão unipolar não estabilizada (não superior a +25 V), cujas ondulações são suavizadas pelos capacitores C1 e C2, é fornecida à entrada (pino 5) do microcircuito através do resistor de medição R2.1, que está incluído na medição ponte formada pelos resistores R5 - R10 e diodos zener VD11 e estabilizador VD2 DA2 com tensão de saída controlada pelo resistor variável R10. A fonte de alimentação da ponte de medição é fornecida por uma fonte de corrente baseada no transistor de efeito de campo VT1. Embora a corrente de saída do estabilizador seja menor que o valor definido, a queda de tensão no resistor R5 é pequena, a tensão na saída direta DA1 é maior do que na saída inversa e na saída 6 do amplificador operacional a tensão é próximo a +21 V. Os diodos HL1 e VD13 são fechados e não afetam o funcionamento do estabilizador DA2. Se a corrente de saída for igual ao valor limite definido pelo resistor R2.1, a ponte de medição é ligada. O amplificador operacional DA1 muda para o modo linear, no qual a igualdade UR2.1 + UR3 = UR5 + Definir VD10. Neste caso, a tensão de saída do braço dependerá da tensão na saída do amplificador operacional, que por sua vez monitora a queda de tensão no resistor R5, ou seja, a corrente de carga na qual a igualdade acima é satisfeita. Portanto, quando as relações R3/R4 = 1 e Ust VD10 = Ust VD11 In = R2.1/R4.Ust VD11/R5. Esta fórmula simplificada pode ser utilizada caso haja necessidade de recalcular os parâmetros da ponte de medição levando em consideração a base do elemento existente ou outros requisitos. Para um rastreamento mais preciso de correntes de carga mais baixas, é aconselhável aumentar a resistência do resistor R5. Neste caso, o limite superior da limitação da corrente de carga diminuirá correspondentemente. Em princípio, o braço negativo da fonte de alimentação também funciona dessa maneira. O diagrama do bloco de proteção do dispositivo contra curto-circuito na sua saída ou na carga é mostrado na Fig. 2. Quando uma tensão de saída bipolar é aplicada às suas entradas, os transistores VT4 e VT7 abrem e assim shunt: o transistor VT4 é um circuito formado pelo LED HL3, o resistor R25 e o diodo emissor do optoacoplador U1, e o transistor VT7 é o circuito HL4, R29 e o LED do optoacoplador U2. Os transistores VT3 e VT6 estão fechados neste momento. Este estado dos elementos destes circuitos do sistema de proteção corresponde ao funcionamento do dispositivo sem curtos-circuitos nos seus circuitos externos.
Suponhamos que ocorra um curto-circuito na carga conectada à saída do braço positivo da fonte de alimentação. Neste caso, o transistor VT4 fecha. Isso leva à abertura do transistor VT6 (através do diodo zener VD24 e do resistor R30), o que elimina o bloqueio mútuo do sistema de proteção. O transistor VT7, após bloquear o braço negativo, permanece aberto com a corrente fluindo para sua base através do resistor R27 e do diodo VD23. Ao mesmo tempo, o LED HL3 se abre, sinalizando a ocorrência de curto-circuito no circuito +Uout e no emissor do optoacoplador U1. Como resultado, a corrente do fotodiodo deste optoacoplador aumenta acentuadamente, o transistor VT8 abre e a corrente do coletor bloqueia a operação do estabilizador DA4 do braço negativo do dispositivo. É assim que funciona uma parte semelhante da unidade de proteção quando o braço negativo do dispositivo está em curto na carga. O limite de resposta da unidade de proteção de tensão é determinado pela queda total de tensão no diodo VD19 (VD22), na junção do emissor do transistor VT4 (VT7), no resistor R20 (R26) e no nosso caso é de aproximadamente 1 V. O a tensão de resposta pode ser aumentada substituindo os diodos por diodos zener apropriados e selecionando os resistores R20 e R26 para abertura confiável dos transistores VT4, VT7. Como a tensão na saída dos estabilizadores bloqueados DA2 e DA4 não excede 1,3 V, os resistores R21, R23, R24, diodo VD20, diodo zener VD21 e transistor VT3 do braço positivo, bem como elementos semelhantes do braço negativo, podem ser eliminado, uma vez que não ocorrerá bloqueio mútuo dos braços. Estes elementos são fornecidos para o caso em que é necessário aumentar (para o braço negativo - diminuir) a tensão do limite de proteção. Neste caso, é aconselhável prever a desconexão da tensão de alimentação de %10 V. Caso contrário, é impossível definir a tensão de saída inferior ao valor limite de operação, pois a unidade de proteção detectará um curto-circuito na carga e bloqueie o braço oposto. A fonte de alimentação funcionará sem sistema de proteção. Sua placa de circuito impresso é feita de fibra de vidro de um lado. A colocação das peças é mostrada na Fig. 3. Todos os resistores constantes são MLT, as variáveis R2.1 e R2.2 são resistores duplos SP3-4aM do grupo A, R10 e R17 são do mesmo grupo A, mas simples. Capacitores de óxido C1, C2 e C5, C6 - K50-35, C4 e C8 - série K53, C3 e C7 - qualquer cerâmica, por exemplo KM-6. Os diodos KD208A (VD1-VD8) são substituíveis por séries semelhantes KD226 e KD105A (VD12, VD18) - por qualquer uma das séries KD208, KD209, KD226, diodos VD13 e VD17 - por qualquer silício de baixa potência. A tensão nominal de estabilização dos diodos zener VD10, VD11 e VD15, VD16 (série D818E ou KC190) pode ser selecionada entre 9...11 V com desvio térmico mínimo.
É aconselhável selecionar os transistores de efeito de campo VT1 e VT2 (KP303 com o índice de letras A, B, F ou I) com base na corrente de dreno inicial - dentro de 2...4 mA. Transformador de rede T1, utilizado no dispositivo a partir de uma fonte de alimentação desmontada de fabricação estrangeira. Qualquer outro serve, inclusive o caseiro, fornecendo uma tensão alternada de 17...18 V em cada um de seus enrolamentos secundários com uma corrente de carga de pelo menos 1,4 A. Os diodos Zener VD11 e VD15 estão localizados na lateral dos condutores do circuito impresso da placa. Os estabilizadores DA2 e DA4 são instalados em dissipadores de calor com aletas, que são aparafusados na placa de circuito impresso na lateral de outras peças. Para melhor contato térmico, os estabilizadores são pré-revestidos com uma camada de pasta termicamente condutora. O ajuste da unidade principal do dispositivo é realizado com a unidade de proteção desligada e consiste em verificar cuidadosamente a instalação e todas as conexões e, se necessário, ajustar as tensões que garantem o funcionamento dos microcircuitos e configurar a ponte de medição. Imediatamente após conectar o dispositivo à rede, deve-se primeiro medir a tensão nos capacitores de filtro C1, C2 e C5, C6, que suavizam as ondulações do retificador bipolar, e nos diodos zener VD9, VD14, que fornecem energia aos amplificadores operacionais DA1 e DA3. A tensão nos capacitores não deve exceder +25 V, e nos diodos zener deve estar entre +9,5...10,5 V. Ao girar os eixos dos resistores R10 e R17, as tensões nas saídas correspondentes dos braços da fonte de alimentação devem mudam suavemente de 1,25 para 18 V e os LEDs HL1 e HL2 não acendem. Os valores máximos dessas tensões são definidos selecionando os resistores R8 e R18. O funcionamento das pontes de medição dos braços do dispositivo é controlado por um voltímetro DC de alta resistência, conectando-o aos terminais de entrada do amplificador operacional DA1 e DA3. A tensão na entrada inversora de cada amplificador operacional (em relação ao fio comum) deve ser mais negativa do que a tensão na entrada não inversora. A diferença nos níveis dessas tensões mudará proporcionalmente às resistências dos resistores R2.1 e R2.2 “Limit Iout”. Quando as tensões são iguais, o dispositivo deve passar do modo fonte de tensão para o modo fonte de corrente (ou vice-versa). O valor inicial da limitação da corrente de carga (0,01 A) é obtido selecionando os resistores apropriados (R3 e R13) das pontes de medição com a posição do eixo do resistor variável R2 na posição de resistência mínima. A placa de circuito impresso da unidade de proteção, a colocação das peças nela e a conexão à placa de alimentação são mostradas na Fig. 4. Todos os resistores são MLT-0,25. O transistor VT3 é qualquer um da série K361 e VT6 é qualquer um da série KT315. O coeficiente de transferência de corrente base dos transistores KT3102E (VT4, VT5) e KT3107K (VT7, VT8) deve ser de pelo menos 400.
As placas de circuito da fonte de alimentação, fixadas em forma de estante (Fig. 5), e o transformador da rede são colocados em um invólucro com dimensões internas de 210x90x90 mm feito de placas PCB de 5 mm de espessura.
Todos os elementos e controles da unidade, bem como os soquetes para conexão de cargas e aterramento, estão localizados no painel frontal do gabinete (Fig. 6).
Existe também um voltímetro DC (PV1 na Fig. 7), que permite controlar a tensão na saída de qualquer um dos braços da fonte de alimentação.
A potência dissipada pelos chips DA2 e DA4 não deve exceder 10 W. Isso limita a corrente máxima de saída da fonte a 1,2 A com uma tensão de saída superior a +15 V. Com uma tensão de saída mais baixa, a queda de tensão nesses microcircuitos aumenta, a corrente de saída permitida diminui e com uma tensão de saída de 1,25 V é 10/(24-1,25) = 0,44 A. Cada par de diodos zener VD10, VD11 e VD15, VD16 pode ser substituído por um diodo zener para uma tensão de 10...15 V. Metade do diodo zener a tensão para alimentação das entradas não inversoras dos amplificadores operacionais DA1 e DA3 deve ser obtida usando um divisor composto por dois resistores idênticos com resistência de 68 kOhm, conectados da mesma forma que os diodos zener no diagrama da Fig. 1. O uso de diodos zener termicamente estáveis não se justifica, pois eles o são apenas com uma corrente de operação de 10 mA, e aqui a corrente que passa por eles é muito menor. Quando a unidade opera no modo de estabilização de tensão com tensão de saída de 1,25 V, a polarização de fechamento nos LEDs HL1 e HL2 é de cerca de 20 V, o que é inaceitável para eles. Portanto, qualquer diodo de silício de baixa potência deve ser conectado em série com cada um deles, ou simplesmente não instalar resistores R9 e R19. Para fechar de forma confiável os transistores VT21 e VT24, os diodos zener VD3 e VD6 devem ter uma tensão de estabilização garantida mais alta do que VD9 e VD14, por isso é melhor usá-los com índices G ou D. Para que os transistores VT5 e VT8 não sejam abertos por correntes reversas de fotodiodos apagados U1.2 e U2.2, suas junções base-emissor devem ser desviadas com resistores de 510...680 kOhm. Literatura
Autor: A.Muzykov, Penza
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