Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis

 Comentários do artigo

Muitos radioamadores provavelmente já se lembraram do seguinte pensamento: "Que absurdo! Os transceptores estão diminuindo constantemente em tamanho e peso, mas as fontes de alimentação ainda permanecem pesadas e volumosas." O autor deste artigo pensou a mesma coisa. O resultado dessas reflexões foi o desenvolvimento de uma fonte de alimentação, que já foi utilizada em muitas expedições e comícios de rádio, onde, em condições bastante adversas, sem desligar por dias, alimentava transceptores importados de mais de dez modelos diferentes em potência total de saída de uma rede de iluminação estacionária e de unidades a gasolina.

Poucas observações

Conclusões interessantes podem ser tiradas através da compreensão criativa dos parâmetros dos transceptores importados, fornecidos em seu “Manual do Usuário” e no “Manual de Serviço” e que até mesmo um radioamador sofisticado muitas vezes ignora. Julgue por si mesmo. A estabilização de tensão é necessária para um transceptor, cuja tensão de alimentação, de acordo com os dados do passaporte, pode flutuar dentro de ±15% do valor nominal de 13,8 V; de acordo com GOST, a tensão da rede pode variar dentro de ±10%?

Os defensores da estabilização estrita, até milivolts, nas fontes de alimentação podem ser recomendados para medir as flutuações da tensão de alimentação diretamente no conector do transceptor, ou seja, levando em consideração a queda de tensão nos fios, e também tentar alimentar o transceptor com uma bateria de carro . No primeiro caso, você pode ver uma queda de tensão de cerca de 0,5 V, e no segundo caso, com bateria, ainda mais, e a tensão pode oscilar tanto negativa quanto positiva. Depois de tais argumentos, vale a pena tentar estabilizar a tensão na fonte de alimentação de forma tão completa?

Observando o diagrama de circuito do transceptor, você pode ficar ainda mais convencido de que não vale a pena gastar esforço extra na estabilização. O próprio transceptor possui seu próprio sistema de alimentação interno eficiente para nós individuais. Em geral, pode ser dividido em três ramos: um estabilizador de tensão de +5 V para alimentar todos os microcircuitos digitais, um estabilizador de tensão de +9 V para alimentar os estágios preliminares do caminho do transceptor e, por fim, o sistema de alimentação do transmissor. estágio de saída. Somente o amplificador de potência do transceptor recebe tensão total do conector de alimentação e, mesmo assim, passa por filtros e fusíveis internos. É protegido contra ultrapassagem por um potente diodo zener, projetado para uma tensão ligeiramente superior ao máximo permitido, conectado em paralelo ao circuito de alimentação após os fusíveis. A saída de potência constante é mantida pelo sistema ALC. Ao comutar fontes de alimentação, as ondulações com a frequência de conversão são facilmente filtradas usando capacitores de pequena capacidade e, consequentemente, de tamanho, conectados após o retificador de saída.

Termos de Referência

Todas as considerações acima formaram a base da ideia do design que agora alimenta o transceptor do autor. A ideia é inusitada, pouco convencional, e consistia em criar um conversor de tensão alternada de rede para tensão contínua próximo da nominal (13,8 V), com a capacidade de carga necessária, mas sem perdas de estabilização. Obviamente, este dispositivo deveria usar o princípio de conversão de alta frequência da tensão retificada da rede elétrica. Os requisitos adicionais para o projeto são a simplicidade do circuito, se possível, a ausência de peças escassas e caras importadas, a máxima eficiência e o menor nível possível de ruído de impulso.

Com base na experiência anterior, ficou claro que é improvável que seja possível remover completamente o ruído de impulso da fonte ao fazê-lo em casa. Portanto, decidiu-se utilizar a estabilização de quartzo da frequência de conversão e tornar esta frequência a mais alta possível. Uma alta frequência de conversão permite filtrar melhor as interferências e, ao mesmo tempo, reduzir o tamanho da fonte de alimentação. A estabilização de quartzo com um valor de frequência de conversão “redondo”, por exemplo, 50 kHz, permitiu concentrar as áreas afetadas em uma banda estreita. Depois de instalar o protótipo funcional em uma caixa de aço perfurada, o ruído da fonte tornou-se completamente imperceptível. Mas não pense que eles desapareceram completamente. Na verdade, o seu nível é tão baixo que é mascarado pelo ruído aéreo.

O resultado foi um dispositivo com os seguintes parâmetros: tensão de alimentação - 220 ±10% V; tensão sem carga - 15,2 V; tensão no modo de recepção - 14,7 V; tensão de transmissão no modo SSB (100 W, compressão 25 dB) - 13,5 V, no modo CW (100 W) - 12,5 V; a eficiência mínima é de 85%. A fonte de alimentação tem dimensões de 100x60x80 mm e pesa cerca de 350 g.

princípio de funcionamento

À primeira vista, no diagrama de blocos da fonte de alimentação (Fig. 1), nada de novo pode ser encontrado nele, em comparação com os já conhecidos diagramas de blocos de dispositivos semelhantes, e esta é uma conclusão absolutamente correta. Este projeto usa soluções de circuito conhecidas há muito tempo, mas a base do elemento é nova.

Como em outras fontes pulsadas, como em qualquer TV ou computador moderno, a tensão da rede elétrica é fornecida através de um filtro e depois retificada por uma ponte de diodos. As ondulações são filtradas por um capacitor eletrolítico. A tensão retificada neste capacitor será de aproximadamente 310 V. Essa tensão é comutada por um circuito em forma de ponte “H” usando quatro transistores de efeito de campo. Os especialistas chamam esta unidade de “inversor”. Da diagonal da ponte, uma tensão retangular é fornecida a um transformador abaixador, retificada, filtrada e fornecida à saída do dispositivo.

A utilização de novos transistores possibilitou aumentar significativamente a inclinação das bordas na saída do inversor, o que, por sua vez, possibilitou reduzir o tempo de passagem da corrente pelos braços da ponte no momento de sua comutação. Esta circunstância, por sua vez, permitiu obter um grande ganho na eficiência da cascata e aumentar a frequência de conversão. A eficiência do estágio principal aumentou tanto que foi possível abandonar completamente os radiadores por transistores. Além disso, com uma potência máxima do conversor de aproximadamente 250 W, a caixa da fonte de alimentação permanece ligeiramente quente durante um longo período de operação. Os transistores de efeito de campo com porta isolada, ao contrário dos bipolares, não têm o efeito de acúmulo de portadoras minoritárias na região de base - saturação, o que não atrasa sua velocidade de comutação. Além disso, eles são capazes de regular a corrente de drenagem à medida que a temperatura da caixa aumenta.

Outra propriedade surpreendente é que eles possuem um ganho de potência infinitamente grande no modo estático, ou seja, sem consumir energia através do circuito gate, são capazes de comutar potências significativas no circuito do canal (seção dreno-fonte). Portanto, no modo dinâmico, a energia é gasta principalmente na compensação da carga acumulada na capacitância intereletrodo porta-fonte durante o semiciclo anterior da tensão de controle. O valor desta capacitância é de aproximadamente 1000 pF e determina os requisitos do driver - deve fornecer uma boa inclinação das bordas e uma amplitude constante dos pulsos fornecidos às portas das chaves ao operar uma carga capacitiva. A base de elementos moderna também ajudou aqui. Os microcircuitos digitais da série KR1554 (74NS) atendem perfeitamente à tarefa.

O diagrama esquemático de uma fonte de alimentação de comutação é mostrado na fig. 2.

(clique para ampliar)

A tensão de rede de 220 V é fornecida ao conjunto da ponte VD1 da fonte de alimentação do driver através do capacitor de lastro C1 e do resistor R2, que amortece o pulso de corrente de partida. Para neutralizar sua capacitância dinâmica, todos os diodos deste conjunto são desviados com pequenos capacitores C2 - C4. O resistor R1 descarrega o capacitor C1 após o dispositivo ser desligado.

O driver consiste em um oscilador de quartzo com frequência de 50 kHz e uma poderosa cascata. As tensões para as portas nas fases necessárias são fornecidas através de um circuito transformador somador de potência em dois anéis de ferrite.

A energia para o driver vem de uma unidade de fonte de alimentação separada usando um capacitor de reator no circuito de rede elétrica. A tensão pulsante retificada da ponte é fornecida diretamente ao diodo zener VD2. Normalmente, em tais circuitos, um resistor limitador é colocado no circuito do diodo zener, em série com ele, mas neste caso seu papel é desempenhado pelo próprio capacitor C1. A corrente máxima que pode ser obtida do retificador depende da capacitância deste capacitor. Sem um resistor adicional, o circuito também adquire uma série de propriedades úteis: aumento de eficiência e capacidade de carga. Se você observar o oscilograma de tensão no diodo zener VD2, quando o capacitor de filtro C7 e o regulador de tensão DA1 ainda não estão soldados, o formato da tensão, comparado ao formato da tensão de saída de um retificador de onda completa simples com filtros, parece incomum . Em vez das “corcovas” habituais, veremos uma tensão quase constante e uniforme, cortada por finos pulsos negativos que surgem no momento em que a senóide da tensão da rede passa por zero. A amplitude dos pulsos é igual à tensão de estabilização do diodo zener +10 V. É muito mais fácil para o capacitor C7 filtrar esses pulsos do que uma tensão senoidal retificada de onda completa.

Após a instalação do estabilizador DA1 e do capacitor C11, os primeiros testes podem ser realizados. Ligue e desligue a tensão da rede várias vezes em intervalos curtos. Se nada explodir, você pode deixar a rede ligada e verificar a tensão na saída do estabilizador de +5 V. Então você precisa verificar a capacidade de carga da fonte de alimentação do driver. Esta unidade não tem medo de curto-circuito, portanto sua capacidade de carga pode ser avaliada aproximadamente simplesmente conectando um testador ligado como um miliamperímetro à saída do estabilizador - paralelo aos terminais do capacitor C11. Neste caso, a seta do dispositivo deve mostrar uma corrente de pelo menos 25 mA.

Atenção! Os elementos do circuito estão sob o potencial da rede de iluminação e os experimentos (ajustes, testes preliminares) deverão ser realizados através de um transformador de rede isolante com relação de transformação de 1:1, com potência de cerca de 100 W.

Uma tensão estabilizada de +5 V é fornecida ao driver - microcircuitos DD1, DD2. O primeiro deles (DD1) é um microcontrolador da família AVR desenvolvido pela ATMEL. Para funcionar, este chip deve ser pré-programado. O dump do código de máquina do firmware é mostrado na tabela.

Deve-se dizer que a primeira versão da fonte de alimentação foi montada sem o uso de microcontrolador: um oscilador de quartzo separado de 100 kHz, um divisor em dois e uma unidade de retardo de inicialização em uma cadeia RC. O dispositivo estava totalmente funcional. Mas houve transições desagradáveis ​​durante a inicialização.

Não existe tal fenômeno com um microprocessador. O controlador DD1 executa três tarefas relativamente simples: um atraso de software garantido de dois segundos após ligar a energia, geração de pulsos retangulares antifásicos em seus pinos 6 e 7 e geração de pulsos de porta no pino 5. Os intervalos de clock no microcomputador são definidos por um ressonador de quartzo ZQ1 com frequência de 10 MHz. Para instalar um microcontrolador na placa, é aconselhável fornecer um conector. O funcionamento do chip DD1 programado deve ser verificado com um osciloscópio. Nos pinos 6 e 7 deve haver uma onda quadrada antifásica com frequência de 50 kHz, e no pino 5 deve haver pulsos negativos curtos. A amplitude do sinal deve ser igual à tensão de alimentação do microcircuito de +5 V, e as bordas devem ser íngremes, sem bloqueios ou surtos. O consumo atual do chip DD1 é de cerca de 6 mA. Das saídas do controlador, os pulsos são fornecidos às entradas do chip DD2. Estes são quatro flip-flops D com clock comum e entradas de reset. A fonte de alimentação deve suas propriedades notáveis ​​ao uso do microcircuito DD1.

A série KR1554 (seu análogo importado 74NS) foi desenvolvida há muito tempo e, na minha opinião, foi injustamente ignorada pelos rádios amadores. Aqui estão apenas algumas de suas características retiradas do livro de referência: tensão de alimentação - +1 ... 7 V, consumo de corrente em modo estático - não mais que 80 μA, corrente de saída em um pino separado - até 86 mA, máximo frequência de clock - 145 MHz. Os dois últimos parâmetros garantem a maior velocidade de comutação das chaves VT1 - VT4, minimizando o tempo para que as correntes fluam através dos braços da ponte nesses transistores e, portanto, alta eficiência e ausência de interferência de rádio. As cadeias C22, R4, VD7 servem para zerar automaticamente os gatilhos DD2 no momento em que a rede elétrica é ligada. Os capacitores C16, C17 estão bloqueados. Devem ser instalados próximos aos pinos de alimentação dos microcircuitos DD1, DD2. Após a instalação dos microcircuitos na placa, deverão ser feitas as próximas medições elétricas. O consumo total de corrente do processador e flip-flops sem os transformadores T3 e T4 conectados deve ser de cerca de 6,5 mA, e o formato do sinal nas saídas DD2 deve ser retangular, sem surtos e bloqueios nas subidas e descidas dos pulsos.

Os dois transformadores de saída do driver T3 e T4 são idênticos em design e são enrolados com fio PEV-0,1 em anéis de ferrite das marcas NM1000, .. NM2000 com diâmetro externo de cerca de 10 mm. O enrolamento é feito de um “pigtail” de oito condutores de cobre com isolamento de verniz. Destes, quatro condutores formam o enrolamento primário e são conectados em série - do começo ao fim. Os quatro restantes são secundários e estão conectados conforme mostrado no diagrama. Assim, cada transformador acaba sendo um transformador abaixador com uma relação de transformação de 4:1. Antes de enrolar o fio, o tecido é torcido (4 - 6 voltas por centímetro). Todas as arestas vivas dos anéis, tanto externas quanto internas, devem ser arredondadas. A utilização de um circuito de dois transformadores de anel com fluxos magnéticos separados possibilitou obter a potência necessária do driver.

À primeira vista parecia que bastaria excitar todas as saídas do microcircuito DD2 em fase e paralelizá-las, mas isso não ajuda muito. A capacidade de carga do nó depende da resistência interna das saídas do chip DD2. Quando as saídas são conectadas em paralelo, sua resistência interna equivalente diminui em uma progressão aritmética; com o uso de um transformador abaixador, ela diminui em uma progressão geométrica. Este projeto de circuito tornou possível obter a capacidade de carga necessária do driver, mantendo a inclinação original das subidas e descidas do pulso. Deixe-me lembrá-lo de que a potência do driver é gasta principalmente na recarga da capacitância intereletrodo porta-fonte dos transistores VT1 - VT4. Se desejado, este método de adição de potência também pode ser usado no estágio de saída.

Como determinar o número correto de voltas dos transformadores T3, T4? O critério é o grau de aumento do consumo de corrente do driver ao conectar os enrolamentos primários dos transformadores às saídas do microcircuito DD2. Os enrolamentos secundários não estão carregados. O experimento deve começar com um número relativamente grande de voltas - 30...40 e reduzir gradativamente seu número, controlando a corrente do driver. No início, a corrente aumenta ligeiramente, mas a partir de certo ponto, cada volta removida levará a um aumento acentuado da corrente. O número de voltas deve ser deixado de forma que a corrente sem carga do driver esteja prestes a aumentar. Neste caso, será alcançada a máxima capacidade de carga e eficiência dos transformadores. Por conveniência, os experimentos podem ser realizados usando um único fio. Esta técnica também pode ser usada para esclarecer o número de voltas de qualquer transformador - tanto de rede quanto de alta frequência. Para a fonte de alimentação descrita, o consumo total de corrente dos microcircuitos DD1, DD2 com transformadores T3 e T4 em modo inativo, sem carga, deve ser de cerca de 8 mA. A capacidade de carga do driver é verificada por meio de resistores com resistência de cerca de 100 Ohms, conectados temporariamente aos enrolamentos secundários dos transformadores T3, T4. Um osciloscópio monitora a amplitude e a forma dos pulsos. Quanto às medições anteriores, não deve haver distorção de quadratura e a amplitude do pulso deve ser de cerca de 5 V. Após conectar os enrolamentos secundários dos transformadores aos circuitos de porta dos transistores VT1 -VT4, o consumo de corrente do driver aumentará para aproximadamente 12 mA .

O estágio de saída é montado usando um circuito em ponte. As vantagens deste circuito, em comparação com a meia ponte mais comum, são óbvias: quadruplica a potência de saída, melhor eficiência tanto dos próprios transistores quanto do transformador de potência de saída T2. Os transistores de efeito de campo KP707A com porta isolada usados ​​​​no estágio de potência possuem uma característica “direita” da dependência da corrente de dreno na tensão da porta. Isso significa que a corrente através do canal, a seção dreno-fonte, fluirá somente quando a tensão entre a fonte e a porta for positiva. E mesmo assim, quando a tensão da porta é inferior a 3 V, o transistor ainda permanece fechado. Portanto, é aconselhável “aumentar” a amplitude dos pulsos de acúmulo acima do nível zero. Caso contrário, os semiciclos negativos desses pulsos seriam desperdiçados - os transistores ainda estão fechados! Esta tarefa é realizada pelas cadeias RC R6 - R9, C31 - C34 e diodos VD10 - VD13 nos circuitos de porta VT1 - VT4. Esta técnica permitiu reduzir pela metade a amplitude da tensão de acumulação. A propósito, a “zona morta” da tensão da porta fornece automaticamente um intervalo de proteção entre os momentos em que um braço da ponte é desligado e o outro é ligado, o que reduz a quantidade de corrente de passagem através de pares de transistores no momento de sua troca.

Os transistores de saída são alimentados por um retificador de tensão de rede montado por meio de um circuito em ponte com diodos VD3 - VD6. Os capacitores C18 - C21 evitam a ocorrência de interferência modulante que penetra na rede. O capacitor C23 suaviza as ondulações da tensão retificada. Se desejar, sua capacidade pode ser ligeiramente aumentada. O resistor R5 descarrega este capacitor quando a fonte de alimentação é desligada e tem como objetivo principal garantir a segurança de quem gosta de cair na carga residual de capacitores eletrolíticos de alta tensão. O resistor R3 (termistor de coeficiente de temperatura negativo) fornece amortecimento do pulso de corrente de carga do capacitor C23 no momento em que a rede elétrica é ligada. No momento em que a unidade está conectada à rede, R3 está em temperatura ambiente e sua resistência é igual à resistência nominal - 10 Ohms. À medida que a potência na carga aumenta, a potência dissipada por este elemento também aumenta e ela começa a aquecer. Como resultado, sua resistência diminui. É como se ele estivesse em curto-circuito. O uso de um termistor proporciona adicionalmente o efeito de alguma estabilização da tensão de saída da fonte de alimentação. Ele pode ser substituído por um resistor regular de cerca de 10 W com valor nominal de 5 ohms.

Na entrada da fonte de alimentação existe um filtro de dois estágios L1 e T1, C6, C8 - C10. O pré-filtro L1 é feito em um anel de ferrite com diâmetro de cerca de 20 mm e permeabilidade de 1000...2000 e contém três enrolamentos localizados ao longo do raio em um ângulo de 120 graus entre si e com três voltas. O enrolamento é realizado por meio de um fio de rede com isolamento de PVC até que todo o perímetro do circuito magnético seja preenchido uniformemente em uma camada.

Para o transformador de filtro T1, é utilizado um anel de ferrite semelhante ao L1. Ambos os enrolamentos contêm 30 voltas, são feitos de fio de rede isolado e estão localizados em lados diametralmente opostos do circuito magnético.

O valor nominal da tensão fornecida da saída do retificador de rede para o estágio de saída é +310 V, e a corrente que flui através de ambos os braços da ponte sem o transformador de saída T2 conectado com a tensão de controle fornecida pelo driver não deve exceder 12 mA, ou seja, 6 cada mA por braço. Os resistores R10, R11 amortecem os pulsos de corrente através dos pares de transistores VT1, VT2 e VT3, VT4. Eles também podem ser usados ​​para observar a amplitude e a forma desses pulsos em um osciloscópio. Para o primeiro, após concluir a instalação do estágio de saída, ligando a alimentação, podemos recomendar uma tensão de alimentação reduzida de 10...15 V, fornecida por uma fonte separada. O modo de operação dos transistores VT1 - VT4 é tal que eles não precisam de radiadores - na placa eles estão localizados verticalmente, em uma fileira, e são levemente soprados por uma ventoinha de doze volts medindo 40x40 mm, retirada do computador. A energia do ventilador é retirada da saída da fonte de alimentação e fornecida ao motor através do estabilizador no chip DA2. Neste caso, o dispositivo recebe resfriamento suficiente e o ventilador não é ouvido.

O transformador de saída T3 é enrolado em um núcleo magnético de ferrite em forma de pote da marca M2000NM1 com diâmetro de 30 mm. É necessário garantir que o circuito magnético não tenha nenhuma lacuna no núcleo. O enrolamento primário contém 60 voltas de fio PELSHO, o enrolamento é feito a granel, as voltas são distribuídas uniformemente pela estrutura. O uso de uma moldura seccionada é categoricamente inaceitável - os enrolamentos primário e secundário são enrolados em duas camadas, uma acima da outra. Caso contrário, a banda larga do transformador é interrompida, ocorrem processos oscilatórios e a eficiência geral da unidade é drasticamente reduzida. O enrolamento secundário é protegido do enrolamento primário com uma tira de isolamento de folha de cobre. A tela forma uma volta e meia aberta. Para o enrolamento secundário, é utilizado um feixe de um número par de condutores com diâmetro de cerca de 0,1 mm, torcidos entre si. Esse fio Litz caseiro é colocado em um tubo termorretrátil com um diâmetro de 4...6 mm. Este tubo dá três voltas no enrolamento primário. Então os condutores são divididos por número em dois grupos iguais. Os inícios do primeiro grupo estão conectados aos finais do segundo grupo. Isso cria um enrolamento de seis voltas com saída do ponto médio.

Após a fabricação e instalação do transformador T1, é realizado um teste tradicional: medição da corrente dos transistores de saída em modo inativo. Deve ser cerca de 25 mA com uma tensão de alimentação total de +310 V. O enrolamento secundário é carregado em um retificador de meia ponte de onda completa usando diodos VD8, VD9. Os diodos estão localizados em um radiador comum - uma placa de alumínio medindo 30x40 mm. O radiador, o transformador T1 e os transistores de saída são soprados por um ventilador. A tensão retificada é fornecida ao conector de saída XS2 através do filtro T5, C25 - C3O. O transformador T5 tem design semelhante ao T1, mas é feito com um fio mais grosso.

A fonte de alimentação utiliza capacitores K73-17 com capacidade de 0,68 μF para tensão de 400 V (C1) e um importado da Rubicon com capacidade de 100 μF para tensão de 400 V (C23). Para aumentar a confiabilidade, recomendamos instalar resistores R1 e R5 com resistência de 100 kOhm com potência de pelo menos 1 W, e substituir os diodos KD2998 (VD8, VD9) por 2D252A ou 2D252B ou 30CPQ060 importado.

Estruturalmente, a fonte de alimentação “nasceu” e existe até hoje na forma de uma maquete bastante bem feita, mas ainda assim. Sua aparência é mostrada na Fig. 3.

As peças são montadas em uma placa de fibra de vidro dupla-face pelo método de montagem superficial, sem furos, em “pontos” recortados. As conexões são feitas com fios isolados com fluoroplástico. A metapização do outro lado do tabuleiro é preservada.

Autor: S.Makarkin (RX3AKT), Moscou

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