Черномырдин А.В

"Семь шагов в электронику: Книга + CD"

«ПРИСЯДЕМ, ДРУЗЬЯ, ПЕРЕД ДАЛЬНЕЙ ДОРОГОЙ…»

Электроника. Почему мы ее любим?

Итак, уважаемый читатель, Вы держите в руках книжку, которую, возможно, захотите купить. В книге есть много страниц текста, рисунки, фотографии, формулы, и повествует она об увлекательнейшей науке — электронике. Как быть? Ведь, помимо электроники, на свете существуют сотни других наук, — ничуть не хуже, — и каждая из них по-своему увлекательна, раз нашелся хотя бы один человек, который ей занимается.

Поэтому, прежде чем начать наш с Вами путь в электронику, давайте, уважаемый читатель, «присядем на дорожку», как поется в старой песне, и поговорим о том, что такое электроника и с чем ее едят.

Не будет большим преувеличением сказать, что электроника — это все, что нас окружает. Компьютер, сотовый телефон, телевизор, поющие и разговаривающие детские игрушки и сотни других привычных вещей вокруг нас. Все они содержат внутри электронные компоненты, разработанные и собранные людьми, для которых электроника — либо профессия, либо — хобби. Еще полвека назад человек, с легкостью управляющийся с электронными лампами, вызывал священный трепет у непосвященных. Сейчас же, глядя на внутренности современных электронных устройств, непосвященный испытывает, скорее, тяжкое удивление — «чего они тут понапихали»?

Электроника за эти годы стала и ближе к человеку, уютно устроившись в самых неожиданных местах, и в то же время отдалилась от него, потому что стала на несколько порядков сложнее. Кажется, что ее уже не постичь — такой гигантский путь прошла она всего на сотню лет. И очень часто кто-то, кто заинтересовался современными электронными внутренностями, просто опускает в отчаянии руки — кажется, что это путь вовек не осилить. Видеокурс: семь шагов в электронику Все не так плохо, уважаемый читатель! Конечно, электроника может оказаться просто «не вашей» наукой, и в жизни Вам уготован совсем иной путь. В этом случае Вы, конечно, зря потратите время с этой книжкой. Но если Вам очень хочется приобщиться к ее тайнам, но в душе у Вас страх — «а вдруг не осилю», — тогда эта книжка для Вас, уважаемый читатель. Потому что в ней есть то, чего нет во многих других книжках про электронику — в ней есть История. Как в электронных вычислительных машинах на смену лампам в свое время пришли транзисторы, затем микросхемы, а затем — микропроцессоры и микроконтроллеры, так и в этой книжке каждая конструкция будет описана на разной элементной базе — на транзисторах, на микросхемах, на микроконтроллерах, и даже — на лампах! И, прочитав ее, Вы сами увидите, что даже самый длинный путь в электронике состоит из небольшого числа шагов, и все их можно одолеть — было бы желание.

Что же нам с вами, уважаемый читатель, потребуется в пути?

Небольшой багаж знаний

Нужно хотя бы в самых общих чертах быть знакомым с терминологией. Слова «мультивибратор», «супергетеродин», «каскодная схема» не должны вызывать у Вас недоумение. Не обязательно уметь делать мультивибраторы и супергетеродины, но желательно знать, что это такое. Знания эти можно почерпнуть из книг, и неважно, как давно эти книги были написаны — принцип работы транзистора переживет любые катаклизмы истории. В этом плане одна из лучших книг — «Юный радиолюбитель» В. Г. Борисова.

Умение паять. Пайка — это особое искусство, которым любой посвященный в электронику должен владеть в совершенстве. Овладеть им непросто, поэтому вопросы качественной пайки автор выделил в отдельный раздел. Прочитайте его — не пожалеете.

Знание основных радиолюбительских технологий и владение ими. Минимальный «джентльменский» набор для «причастия» к миру электроники — умение изготавливать печатные платы. Этот вопрос автор также выделил в отдельный раздел.

Желание. Собственно говоря, эту строчку надо было бы поставить первой.

Итак, начнем собираться в дорогу…

Пайка как вид современного искусства

Общие сведения о пайке. Пайкой называется процесс соединения двух материалов (не обязательно проводников — иногда спаивают вместе, например, металл и керамику) с помощью третьего, более легкоплавкого материала. Сам процесс пайки заключается в расплавлении третьего материала, соединении с помощью расплава двух первых материалов, и остывании расплава до твердого состояния, обеспечивающего необходимые механические и электрические характеристики спая.

Основное отличие пайки от сварки — первый и второй материалы при пайке остаются в твердом состоянии, а не расплавляются.

В качестве третьего материала в электронике обычно используют сплавы на основе олова. В терминах пайки сплав этот называется «припой». Припои на основе олова — не единственно возможные, например, в металлообработке для пайки резцов в качестве припоя широко используется… медь!

Основные требование к припоям, применяемым в электронике — достаточная механическая прочность соединения и низкое переходное сопротивление (иными словами, паяный контакт должен как можно лучше проводить ток). Для этого требуется выполнение двух условий:

♦ спаиваемые детали должны быть смачиваемыми припоем;

♦ сам припой должен застывать однородной массой и не претерпевать изменений в процессе эксплуатации устройства.

С явлением смачивания читатель должен был познакомиться еще в школе. Если одно вещество смачивается другим, оно плотно прилипает к его поверхности, если же нет — поверхности этих двух веществ отталкиваются друг от друга.

Примечание.

Паять можно только те пары веществ, которые смачивают друг друга. Если смачивания нет— никакой механической прочности соединения невозможно получить в принципе. Управлять смачиванием в большинстве случаев нельзя — оно либо есть, либо его нет.

Например, для того, чтобы спаять две стеклянные или керамические детали, припой обязательно должен содержать в себе металл индий — никакой другой припой к керамике просто не прилипнет. Припои на основе олова смачивают большинство материалов, применяемых в электронике, однако на деле не все оказывается так просто.

Проблема при пайке сплавами олова заключается в том, что сами спаиваемые проводники находятся в атмосферном воздухе, а он — отнюдь не нейтральное вещество. Достаточно напомнить, что в воздухе присутствует 21 % кислорода, а он — второй по химической активности элемент после фтора. Поэтому спаиваемые металлические проводники неизбежно содержат на поверхности пленку различных химических соединений (чаще всего — окислов).

А будет ли смачивать эти окислы припой — очень большой вопрос. Поэтому перед пайкой эти химические соединения с поверхности проводника нужно удалить — не столько даже для обеспечения механической прочности, сколько для хорошего электрического контакта. Удаляются эти соединения либо механическим путем (зачистка поверхности проводника), либо химическим — путем воздействия на проводник соответствующего химического вещества, который в терминах пайки называется «флюсом».

К флюсу, применяемому при пайке, предъявляется ряд определенных требований. Каждый флюс имеет свою оптимальную температуру, при которой он наиболее эффективно очищает поверхность проводника.

Например, наиболее популярная канифоль (и флюсы на ее основе), имеет оптимальную температуру около 180–250 градусов. При более низкой температуре она не зачищает поверхность проводника, а при более высокой — начинает гореть.

Совет.

Каждый вид флюса лучше справляется с определенным материалом проводника: канифоль хороша для медных проводников, а вот для пайки железа лучше использовать т. н. «паяльную кислоту» (раствор хлорида цинка).

Совершенно особые условия пайки и специальные флюсы необходимы для такого известного металла, как алюминий — пленка окиси на его поверхности не удаляется никакой механической обработкой, так так тут же образуется вновь (алюминий — химически очень активный металл). Если бы не совершенно особые свойства этой пленки (окись алюминия имеет твердость, близкую к твердости алмаза, температуру плавления около 2000 градусов, и в самом прямом смысле «спасает» металл от кислорода воздуха), то любая алюминиевая деталь за несколько минут рассыпалась бы в порошок.

Увы, то, что сделало алюминий незаменимым в машиностроении, напрочь закрыло ему дорогу в электронику — в электронных устройствах используются только медные провода.

Для обеспечения стабильных свойств паяного соединения используются сложные сплавы на основе олова. Чаще всего, второй компонент сплава — это свинец. Такой сплав, во-первых, имеет более низкую температуру плавления (например, сплав ПОС-60 плавится при температуре около 190 градусов, тогда как чистое олово — около 240, а свинец — около 320 градусов), а, во-вторых, чистое олово при низкой температуре изменяет свою структуру, постепенно рассыпаясь в порошок (это явление получило название «оловянная чума», и наиболее заметно при температуре -33 градуса).

Примечание.

По этой причине паять схемы (особенно предназначенные для работы на морозе) чистым оловом нельзя.

В сплаве со свинцом этого эффекта нет, но есть другая проблема — свинец ядовит. За рубежом сейчас широко применяются бессвинцовые припои (в основном с добавлением небольшого процента серебра). Эти припои, как правило, имеют еще более низкую температуру плавления, а переходное сопротивление паяного контакта у них значительно меньше (серебро, как известно — самый лучший проводник электрического тока). Кроме олова и свинца, в припоях могут присутствовать и другие элементы (обычно от долей до нескольких процентов), придающие им особые механические свойства.

Итак, в общих чертах процесс пайки выглядит следующим образом:

♦ приводим в соприкосновение два (или более) проводника, которые необходимо спаять

♦ наносим на них флюс, чтобы обеспечить химическую очистку поверхности проводников от посторонних химических соединений

♦ наносим на них расплавленный припой

♦ ждем остывания припоя

Ну а теперь — разберем каждую их этих стадий подробно, ибо, как известно, дьявол кроется в деталях.

Приводим в соприкосновение проводники. Специфическая особенность пайки в электронных устройствах заключается в той цели, с которой выполняется пайка, а цель здесь одна — обеспечить электрический контакт.

Если бы нам нужно было просто механическое соединение, проводники можно было бы и склеить!

Совет.

Первый шаг нужно выполнить таким образом, чтобы обеспечить максимально большую площадь соприкосновения проводников — чем больше площадь соприкосновения, тем меньше будет переходное сопротивление контакта. Поэтому, если Вы спаиваете вместе два проводника, их нужно обязательно зачистить и плотно скрутить между собой (если проводники толстые, не поленитесь взять в руки плоскогубцы).

Если в детали предусмотрен контакт с «ушком», обязательно пропустите в «ушко» провод и плотно оберните его вокруг контакта (даже если лень выпаивать весь тот мусор, что уже натыкан в «ушке»).

Внимание.

Напаивать «лесенкой» один провод на другой, затем третий на второй, а затем четвертый на третий совершенно недопустимо. Особенно это правило касается цепей, в которых проходят большие токи — степень нагрева контакта пропорциональна квадрату тока, проходящему через соединение, и отнюдь не случайно, что в сильноточных цепях все электрические соединения затягиваются могучими болтами, хотя никаких механических нагрузок там практически нет.

Крайне нежелательно, чтобы соединение двух проводников происходило через каплю припоя. Особенно это касается, как ни странно, сигнальных цепей — на медной поверхности всегда присутствует тонкий слой закиси меди, который являются полупроводником, и при некачественной пайке такой контакт может давать удивительнейшие эффекты, про которые потом долго рассказывают бывалые электронщики.

Нанесение флюса. Нельзя сказать, что на протяжении всей истории электроники культура пайки оставалась неизменной. «Дедовский способ», когда жало паяльника с каплей припоя тыкается в банку с канифолью, и затем уже несется к месту пайки, сейчас практически вышел из употребления — помимо того, что паяющий кадит, как служитель культа перед алтарем, требуется изрядное умение, чтобы донести хоть часть флюса до цели. Твердый флюс сейчас практически не применяется.

Наиболее популярные флюсы для меди — спиртовой раствор сосновой канифоли и флюс ЛТИ-120. На место пайки их необходимо наносить тонкой кисточкой, оптимальная температура пайки для них около 200 градусов. Стальные детали лучше паяются «паяльной кислотой» (хлорид цинка), температура пайки — около 280 градусов.

В радиолюбительской среде одно время предлагалось разводить канифоль ацетоном — на взгляд автора, такой рецепт хорош разве что для токсикомана, и, вдобавок, весьма пожароопасен (температура вспышки ацетона всего -19 градусов). Кстати, в качестве флюса для меди прекрасно подходит обыкновенная сосновая смола.

Флюс должен обладать еще одним свойством — легко удаляться после пайки, в том числе потому, что многие флюсы обладают неприятным свойством притягивать из воздуха пары воды и различных соединений, что неблагоприятно сказывается на работе конструкции (вплоть до выхода ее из строя).

Канифоль и флюс ЛТИ-120 легко отмывается спиртом или ацетоном, «паяльная кислота» — водой (кстати, сейчас промышленностью выпускается модифицированный флюс ЛТИ-120, который также отмывается водой). Большинство флюсов (за исключением, разве что, чистой канифоли) небезвредны для здоровья, поэтому при пайке необходимо пользоваться вытяжкой или хотя бы вентилятором. Кроме «отдельно стоящего» флюса промышленностью выпускается пара «припой-флюс», в которой флюс содержится внутри полой трубочки из припоя.

Иногда случается, что соединяемые поверхности до такой степени покрыты посторонними включениями, что спаять их не получится даже при наличии флюса. В таком случае соединяемые поверхности необходимо предварительно залудить, т. е. покрыть пленкой припоя, надежно механически связанной с поверхностью проводника. Лужение также применяется для защиты поверхности проводника от воздействия окружающей среды. В таких «аварийных» случаях следует пользоваться более радикальными средствами зачистки поверхности.

Очистка меди. Медные проводники и поверхности печатных плат можно зачистить либо механическим путем (мелкая наждачная шкурка), либо протереть крепким нашатырным спиртом. После протирки поверхность следует вымыть с мылом. Не следует применять для очистки меди кислоты — это гарантия, во-первых, получить изъеденную поверхность, и, во-вторых, получить проблемы с устройством в будущем.

Очистка серебра. Многие детали имеют посеребренные выводы, на которых со временем образуется черный налет сульфида серебра. Для его снятия пригоден либо механический (зачистка выводов), либо химический способ — тот же нашатырный спирт (деталь отмочить в нашатырном спирте примерно 1 час).

Не следует применять для этой цели кислоты — большинство их них на сульфид серебра не действуют, а проблемы создают те же, что и с медью. Если возиться с нашатырным спиртом желания нет, можно попытаться снять черный налет карандашом для чистки утюгов либо средством «Оксидал» для чистки жала паяльника. В обоих случаях зачищаемую деталь необходимо прогреть паяльником до температуры примерно 350 градусов.

Нанесение припоя. Это — наиболее сложная и ответственная часть работы. Припой в месте пайки обязательно должен быть жидким, чтобы проникнуть в мельчайшие поры поверхности соединяемых деталей, поэтому место пайки должно быть хорошо прогрето.

«Дедовский способ» подразумевал, что капля припоя набирается на жало паяльника и несется к месту пайки. Более современный способ подразумевает прогрев паяльником места пайки с одновременным касанием припоем жала паяльника.

Совет.

Автор хочет только добавить свой собственный секрет — припоем надо касаться не жала паяльника, а спаиваемой детали. Если припой плавится от контакта со спаиваемой деталью — значит, она прогрета более чем достаточно. Припой в зону пайки нужно подавать до тех пор, пока на месте пайки не начнет образовываться капля — это будет обозначать, что все место соединения насквозь пропиталось припоем, и большего количества припоя уже не нужно. Каплю потом можно аккуратно снять паяльником — лишний припой ничего, кроме перерасхода материала, к пайке не добавит.

Остывание припоя. Это, пожалуй, наиболее ответственная часть пайки — если во время остывания у паяющего дрогнет рука, контакт наверняка получится с высоким переходным сопротивлением. Хорошая, правильно остывшая пайка, всегда имеет блестящую поверхность. Более того — хорошая пайка просто-напросто красива.

Инструменты и материалы для пайки

Долгие годы основным инструментом для пайки был паяльник. Сейчас, с появлением новых технологий и новых деталей, появились и новые инструменты для пайки — паяльные станции и термофены (средств промышленной пайки мы с вами касаться не будем).

Основными требованиями к паяльнику являются мощность нагревателя и температура жала паяльника — мы уже говорили о том, что для припоев и флюсов существует оптимальная температура пайки.

Недогрев паяльника приводит к тому, что припой и флюс плохо справляются со своими обязанностями, перегрев — к окислению припоя (и, как следствие, к ухудшению качества контакта) и отслаиванию дорожек печатной платы. Поэтому любой, даже самый захудалый паяльник, должен быть снабжен хотя бы простейшим терморегулятором. Схем таких терморегуляторов сейчас пруд пруди. В приложении в конце книги приведена собственная схема автора, которой он пользуется уже много лет.

Что касается мощности, то лично автор пользуется при работе двумя паяльниками:

♦ мощность 20 или 25 Вт — для пайки печатных плат;

♦ мощностью 60 Вт — для пайки массивных соединений.

Самый главный элемент паяльника — это его жало. От того, каким оно будет, зависит удобство работы с паяльником. Материалом жала паяльника может быть либо медь (или ее сплав), либо стальной сплав (т. н. «вечное жало»). Автор отдает предпочтение медным жалам, поскольку «вечные» жала обычно не удерживают на своей поверхности припой, и по этой причине ими хорошо паять, но почти невозможно лудить. Однако у медных жал есть две проблемы:

♦ медные жала очень быстро «горят»;

♦ медные жала требуют частой заточки.

Первая проблема — фирменная российская, потому что только в России продолжают выпускать паяльники, в которых жалом служит обыкновенный медный стержень. Медь на воздухе «горит», осыпаясь черной шелухой окиси. Мало того — это же окись может намертво забить отверстие, в которое вставлено жало, в результате чего съемное жало со временем превращается в несъемное. Потому при выборе паяльника обращайте внимание — медное жало обязательно должно быть никелированным.

Причина же частой заточки жала в том, что медь постепенно растворяется в жидком припое! Любой медный проводник также растворяется в припое, но воздействие на него припоя длится секунды, а на паяльнике капля припоя может провисеть несколько часов. Итог — каверна на жале, которую нужно стачивать напильником.

Способов борьбы с этой проблемой два — либо поискать более устойчивое к припою жало (оно имеет обычно золотисто-желтый цвет, в отличие от красноватой меди), либо пользоваться припоем, в котором заранее растворено некоторое количество меди (обычно 0,7 %) — такой припой на жало не действует.

Жала паяльников могут иметь разную форму. Наиболее распространена прямая, но встречаются и изогнутые жала. Также жало паяльника может иметь разную заточку. Выбор здесь обусловлен исключительно удобством работы. Автор лично пользуется только прямыми жалами, причем на 20-ваттном паяльнике оно заточено «на скос», а на 60-ваттном — «углом».

Следующий важный инструмент для пайки — пинцет. С его помощью зажимаются при пайке мелкие детали, а также горячие проводники. Еще одно назначение пинцета — уберечь от перегрева важные детали: если пинцетом зажать вывод детали, он будет играть роль теплоотвода.

Выбор пинцета — исключительно плод пристрастий выбирающего, хотя автор предпочитает пинцет с острыми концами — им удобно работать с компонентами для поверхностного монтажа.

И еще один важный инструмент для пайки — т. н. оловоотсос, потому что часто бывает необходимо удалить излишек припоя с места пайки либо выпаять из устройства деталь с большим количеством выводов. Простейший способ это сделать — стряхнуть с жала паяльника излишки припоя, и прикоснуться к месту, откуда необходимо убрать припой (этот способ работает только с медными жалами).

К сожалению, это способ помогает далеко не всегда — таким путем нельзя, например, убрать припой из металлизированного отверстия на плате. Для таких специальных случаев существуют либо специальные оплетки для «оттягивания» припоя, либо оловоотсосы. Оплетка, по сути дела — это «тряпка», сплетенная из проволоки, ну а уж с тряпками все мы обращаться умеем! Приложил оплетку к нужному месту, прогрел паяльником — и припой перетек на «тряпку», которую теперь можно выбросить.

Оловоотсос — это многоразовое устройство. Он представляет собой нечто, похожее на велосипедный насос с пружиной. Вначале нажимаем на шток, сжимая пружину, затем приставляем кончик оловоотсоса к месту, откуда нужно убрать припой, расплавляем его паяльником, нажимаем кнопку оловоотсоса — и он с силой втягивает в себя воздух вместе с каплями припоя. Это очень нужная вещь, если требуется, к примеру, выпаять из платы микросхемы с 40 ножками. При выборе оловоотсоса следует руководствоваться двумя правилами:

♦ кончик — фторопластовый, чтобы не охлаждать место пайки;

♦ корпус — металлический, чтобы не разбить его за пару месяцев активной работы.

С появлением т. н. поверхностного монтажа в области пайки произошли весьма серьезные изменения. Компоненты для поверхностного монтажа (сокращенно называемые SMD) имеют гораздо меньшие габариты, потому что у них нет (или почти нет) выводов, для них не нужно сверлить отверстия (от двух до сотни!), да и стоят они заметно дешевле обычных компонент (выводы — это медь, весьма дорогой металл).

Однако к таким «крошкам» уже не подлезешь с обычным паяльником: впаять такие детали достаточно сложно, а выпаять — еще сложнее, ведь при этом нужно еще не нарушить формовку выводов!

Для работы с такими деталями используется новый способ пайки — пайка горячим воздухом. Для этого промышленность выпускает паяльные станции с термофенами. Суть пайки проста — струя горячего воздуха заданной температуры направляется на заранее установленные на плате компоненты. В качестве припоя используется специальная пастообразная смесь припоя и флюса, которой смазываются места соединений.

Под влиянием высокой температуры припой расплавляется, и несколько сотен соединений на плате пропаиваются в течение одной-двух минут. Таким же способом выпаиваются из устройства микросхемы с несколькими десятками ножек. Термофен — устройство достаточно дорогое, поэтому выбирать его следует исходя, в первую очередь, из собственных финансовых возможностей. Автор может подсказать только два критерия:

♦ верхний предел температуры воздуха на выходе из термофена желательно иметь не ниже 350 градусов;

♦ автор имеет крайне негативный опыт работы с отечественными, с позволения сказать, «изделиями». Возможно, Вам, уважаемый читатель, повезет больше.

Преимущества групповой пайки с помощью термофена столь неоспоримы, что автор в свое время придумал собственную технологию пайки SMD-компонент, главной составляющей которой является… обыкновенный утюг. Описание ее приведено в конце книги.

Печатные платы как они есть

Печатный монтаж — настолько привычная для всех нас технология, что даже не верится, что когда-то ее не было. Когда у Микеланджело Буонаротти (1475–1564) спросили, как он создает свои несравненные статуи, он ответил, что нет ничего проще — берешь кусок мрамора и отрубаешь все лишнее. Это — почти точное описание технологии печатного монтажа: вместо того, чтобы соединять необходимые выводы проводниками, вначале нужно соединить вместе все выводы (эту функцию выполняет наклеенная на плату медная фольга), а затем удалить ненужные соединения химическим или механическим способом.

«Дедовский способ» изготовления печатных плат заключался в том, что на листке специальной бумаги, расчерченной миллиметровой сеткой (да-да, продавалась когда-то такая бумага, чтобы школьники рисовали на ней графики) расставить по клеточкам все детали. Затем расчертить ручкой соединения, наклеить бумагу на будущую печатную плату, накернить и насверлить отверстия в местах будущих соединений, а затем с помощью медицинской иглы (страшный дефицит!) перевести краской или лаком рисунок на плату.

С тех пор утекло много воды, и в радиолюбительскую практику, вместе с компьютерами, прочно вошли два новых способа — фотоспособ и ЛУТ.

Первый способ достаточно очевиден — нужно нарисовать (на компьютере, естественно) требуемую печатную плату, распечатать ее на лазерном принтере, а затем приобрести в радиолюбительских магазинах специальный светочувствительный лак. Рассказывать дальнейшее в силу очевидности нет смысла, хочется только добавить, что попытки изготавливать платы фотоспособом делались и во времена миллиметровой бумаги и медицинских игл, только вместо светочувствительного лака в те времена использовался яичный белок и фотохимикаты, ибо цифровая фотография тогда еще не была изобретена.

Вторая же технология — это всецело порождение компьютеризации, потому что она в принципе не могла появиться до появления лазерного принтера.

Что такое ЛУТ? ЛУТ — это аббревиатура фразы «лазерно-утюжная технология». Кто это сокращение придумал, вряд ли уже удастся установить, но суть технологии она отражает полностью. Родилась эта технология в конце 90-х годов прошлого века, и автор гордится тем, что был в свое время одним из первых, кто ее описал (Радио № 9 2001 г., с. 35). Суть ее проста — рисунок будущей печатной платы выводится в зеркальном изображении на лазерном принтере, а затем прикладывается к будущей печатной плате и проглаживается горячим утюгом. Тонер при этом плавится и прилипает к поверхности платы.

Далее бросают будущую печатную плату с прилипшим рисунком в воду, бумага при этом размокает и легко отделяется от рисунка, который, естественно, остается на плате. Сейчас существуют, пожалуй, сотни вариантов этой технологии, отличающиеся тем, сколько времени греть рисунок, какую бумагу использовать и т. д. Как видите, даже в радиолюбительской среде прогресс не стоит на месте — что уж говорить об электронной промышленности!

После того, как рисунок нанесен на будущую печатную плату, необходимо химическим путем удалить с нее все «излишки» меди, чтобы на Печатной плате остались только нужные проводники. Самый правильный способ — использовать для этого раствор хлорного железа.

Во времена всеобщего дефицита был придуман и другой раствор — смесь медного купороса и поваренной соли в отношении 1:2. Он хорош тем, что медный купорос легко приобрести в магазинах для садоводов, а поваренную соль — вообще везде, тогда как за хлорным железом придется идти в специализированные магазины или заказывать его через Интернет.

Примечание.

В принципе, оба раствора позволяют получить нужный результат, хотя второй раствор действует несколько менее эффективно, чем первый.

Сразу хочется предупредить, что существует еще один эффективный раствор для травления, которым ни в коем случае нельзя пользоваться дома. Это — азотная кислота.

Внимание.

Пользоваться же им нельзя потому, что выделяющаяся при травлении двуокись азота — сильнейший дыхательный яд!

Процесс травления как таковой достаточно несложен — нужно просто опустить заготовку в раствор, и через некоторое время извлечь ее оттуда. Дьявол, как всегда, кроется в деталях:

♦ на заготовке ни в коем случае не должны присутствовать следы жира (в том числе отпечатки ваших пальцев);

♦ на заготовке не должны оставаться пузырьки воздуха и другие посторонние включения;

♦ заготовку нельзя передерживать в растворе дольше необходимого.

Первое требование достаточно очевидно — вода жир не смачивает, поэтому медь в этом месте либо не протравится вовсе, либо процесс травления на ней закончится гораздо позднее. Поэтому перед тем, как опустить заготовку в травильный раствор, не поленитесь вымыть ее с жидким мылом.

Второе требование тоже достаточно очевидно, не очевидно только, откуда на заготовке возьмутся пузырьки воздуха и посторонние включения. Увы, на поверхности травильного раствора всегда присутствует пленка соединений железа (кстати, она достаточно хорошо заметна глазу как блестящее зеркало на поверхности раствора). Причин ее появления мы касаться не будем, нам важнее, как с этим явлением бороться. Способов борьбы с ним два:

♦ механическое удаление пленки;

♦ «свежая» вода.

Механически пленка удаляется с поверхности с помощью широкой лопаточки (автор обычно использует для этого ненужный кусок стеклотекстолита). Пленку нужно сгрести с поверхности раствора, затем подцепить этой же лопаточкой и смыть водой. Заготовку же платы перед тем, как опустить ее в раствор, нужно обязательно сполоснуть водой. Вода, во-первых, смочит всю поверхность платы, не позволяя закрепиться на ней пузырькам воздуха, и, во-вторых, вода имеет свойство «отгонять» пленку от заготовки.

Как не «передержать» заготовку в растворе и чем это опасно?

Опасность одна — «подтравленные» дорожки. Случаи, когда заготовку забывают в растворе, не так часты, но результат всегда один — «растворившиеся» дорожки. Рисунок, нанесенный на плату, вовсе не гарантирует, что дорожки обязательно останутся в неприкосновенности, он только гарантирует, что окружающая дорожку медь «растворится» быстрее, чем сама будущая дорожка.

По этой причине явления «подтравливания» дорожки сильно зависит от состояния раствора — свежий (особенно только что приготовленный) раствор гораздо менее склонен к подтравливанию, потому что он гораздо быстрее удаляет с платы медь, поэтому плату из раствора можно извлекать гораздо раньше, чем из раствора, долго бывшего в употреблении.

Если на плате есть дорожки шириной менее 0,3 мм, травить такую плату можно только в свежем растворе, и никакая «жаба» не должна помешать вам вылить старый раствор и приготовить для нее новый.

Для того, чтобы определить, когда закончится процесс травления, заготовку платы необходимо время от времени, извлекать из раствора, чтобы визуально определить, вся ли лишняя медь перешла в раствор. Занятие это довольно утомительное, поэтому радиолюбители и здесь придумали маленькую хитрость.

Если Вы травите одностороннюю плату (а в подавляющем большинстве случаев именно так оно и бывает), нужно перед тем, как погрузить ее в раствор, слегка подогреть ее на газовой плите, и натереть стеариновой свечой. В результате такой операции верхняя поверхность платы становится не смачиваемой водой, и ее при определенном навыке можно положить в раствор так, чтобы она плавала по его поверхности. Несмотря на то, что материал платы непрозрачен, сквозь него прекрасно видно, в каком состоянии сейчас поверхность меди. Теперь вместо того, чтобы каждый раз извлекать плату, достаточно бросить орлиный взгляд на ее поверхность. С двухсторонними платами такой номер, естественно, не проходит, ну да они не так часто и встречаются.

Итак, плата протравлена, лишняя медь ушла в раствор. Теперь плату необходимо извлечь из раствора и вымыть под струей воды.

Раствор необходимо перелить в банку с закрывающейся крышкой, чтобы Ваши домочадцы не дышали его парами. Особенно это касается смеси купороса с солью — помимо всего прочего, раствор в процессе высыхания имеет крайне неприятное свойство расползаться по любой поверхности как плесень.

Бывали случаи, что он буквально «вылезал» из банки на стол, пол и другие поверхности почище того горшочка с кашей из сказочки Андерсена. Если раствор пришел в негодность, его необходимо вылить в канализацию, и несколько раз смыть водой. Характерным признаком «старения» раствора, помимо того, что он перестает травить платы, является для хлорного железа изменение цвета с коричнево-желтого на зеленый и образование большого количества ржавчины на дне банки, а для смеси купороса с солью — изменение цвета с ярко-зеленого на беловатый.

В свое время существовало немало способов вернуть раствору «травительную силу», но теперь, как кажется автору, заниматься реанимацией раствора нет необходимости — все-таки в другие времена живем. При приготовлении свежего раствора хлорного железа необходимо, помимо обычных мер защиты (марлевая повязка и очки), соблюдать дополнительные — безводное хлорное железо при растворении очень сильно разогревается (бывали случаи — лопалась стеклянная посуда). По этой причине при приготовлении раствора лучше использовать пластмассовую кювету и добавлять воду очень небольшими порциями.

Готовую плату необходимо отмыть от рисунка. Для отмывки тонера от лазерных принтеров вполне подходит ацетон, отмывку светочувствительного лака нужно производить теми растворителями, которые рекомендованы его производителем. Зачищать плату шкуркой не следует — она после такой операции приобретает не слишком эстетичный вид. Зачищать плату шкуркой нужно до нанесения на нее рисунка, а не после травления — помимо всего прочего на зачищенной поверхности рисунок будет лучше держаться. После этого плату можно (а лучше — нужно) залудить, но предварительно необходимо просверлить в ней все необходимые отверстия.

Сверление отверстия — процесс достаточно трудоемкий и ответственный. Если в конструкции активно используются SMD-компоненты, количество отверстий на плате сравнительно невелико, а вот при использовании обычных деталей число отверстий в плате может достигать нескольких десятков, а то и сотен. Для сверления отверстий в плате необходимы две вещи — дрель и сверло.

Сверло — важный компонент процесса сверления, от качества его заточки напрямую будет зависеть качество получаемых отверстий.

Правильно заточенное сверло должно резать плату, а не раздвигать ее во все стороны, образуя «горку» вокруг отверстия. Эта «горка» — самый характерный признак неправильной заточки. Научиться правильно затачивать сверла — особый вид искусства, которому Вам придется обучаться самостоятельно. Присмотритесь к тем сверлам, которые правильно сверлят платы, и постарайтесь заточить свое сверло «по аналогии». Для заточки тонких сверл необходимо иметь алмазный надфиль или очень мелкий наждачный брусок, более толстые сверла лучше точить на наждачном круге — разоритесь хотя бы на круг с ручным приводом!

Затачивать сверла придется довольно часто — стеклотекстолит имеет в своем составе стеклянные нити, которые тупят сверла не хуже наждака. Большая удача, если Вам удастся приобрести т. н. твердосплавные сверла (обычно они имеют благородный темный цвет и хвостовую часть одинакового диаметра, независимо от диаметра сверла) — хотя стоят они заметно дороже стальных, зато режут платы как масло.

К сожалению, они также очень хрупкие, поэтому для работы с ними необходим определенный навык. Точить их практически не нужно.

Дрелей, как показывает практика, в хозяйстве нужно две:

♦ ручная дрель для сверления отверстий небольшого диаметра (до 2 мм);

♦ дрель (или шуруповерт) для сверления отверстий большего диаметра.

Ручная дрель в большинстве случаев требует низковольтного источника питания, в качестве которого очень удобно использовать аккумуляторные батареи. Иногда для получения нужно скорости вращения дрели требуется большее напряжение, чем могут дать 12-вольтовые аккумуляторы. В этом случае для питания дрели неплохо изготовить повышающий преобразователь напряжения. Как это сделать — мы с Вами узнаем на Шаге 7.

Ну вот, необходимые приготовления завершены, и мы с Вами, уважаемый читатель, теперь можем смело отправиться в путь! А любой, даже самый длинный, путь, как известно, начинается с первого шага.

Итак… создаем бегущие огни!

Шаг 1

«БЕГУЩИЕ ОГНИ»

Почему именно «бегущие огни»

Для нашего первого шага в электронику «бегущие огни» выбраны не случайно. Это «устройство» обладает главным для начинающего качеством — наглядностью. Радостно мигающие огоньки, как ничто другое, скажут вам, уважаемый радиолюбитель, что вы вполне способны осилить премудрости увлекательнейшей науки — электроники.

К тому же на первых порах это — едва ли не единственный девайс, который радиолюбитель сможет применить у себя дома. Повесить на елку, например! Для «бегущих огней» нам потребуется вышедшая из строя елочная гирлянда, что, по опыту автора, не представляет совершенно никакой проблемы. Все, без исключения, елочные гирлянды производства нашего дальневосточного соседа неизменно выходили из строя на второй день покупки. Заодно почините то, что у вас есть, уважаемый радиолюбитель! Первый вариант «бегущих огней», который мы сделаем, будет… на микросхемах.

Бегущие огни на микросхемах

Вы спросите, почему не на транзисторах? Ответ прост, уважаемый радиолюбитель. Транзисторные «бегущие огни», как и вся транзисторная «цифровая» электроника, отличается чрезвычайно плохой повторяемостью.

Ни одна из десятка, по крайней мере, транзисторных схем «бегущих огней» у автора не заработала «с полуоборота», все приходилось долго и нудно доводить до ума. Собрать же неработающую или полуживую конструкцию — лучший способ отбить охоту заниматься электроникой вообще, чего автор и сам не хочет, и вам не желает!

Принципиальная схема. Микросхемы по сравнению с транзисторами — это гигантский шаг вперед. И, конечно же, среди микросхем обязательно найдется такая, которая обеспечит нам «почти готовые» бегущие огни. Это микросхема типа К176ИЕ8, и называется она «десятичный счетчик с дешифратором». У нее есть два счетных входа, вход сброса и десять выходов. При поступлении импульсов соответствующей полярности на счетный вход микросхемы внутренний счетчик микросхемы увеличивает свое значение на единицу (в литературе для такого действия есть даже специальное название — инкремент).

Дешифратор, имеющийся внутри микросхемы, преобразует текущее значение счетчика в сигнал, близкий к напряжению питания микросхемы на одной из выходных линий. Обычно он называется сигналом «логической единицы», сокращенно — лог. 1. На всех остальных выходных линиях в это время будет сигнал, близкий к нулю, который называется «логическим нулем» или лог. 0).

При каждом новом счетном импульсе сигнал лог. 1 будет перемещаться с одной выходной линии на другую (удивительное совпадение — такой режим работы называется «бегущей единицей»).

Все, что нам остается — прибавить к этой микросхеме:

♦ генератор импульсов (чтоб считало);

♦ источник питания (чтоб питало);

♦ четыре мощных выходных каскада, управляющих лампочками (чтоб мигало).

Схема такого варианта «бегущих огней» приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема варианта «бегущих огней» на ИМС К176ИЕ8

Генератором здесь является микросхема DD1, конденсатор С1 и резистор R1, источник питания — диоды VD1—VD3, конденсаторы С2—С4 и резистор R4. Четыре одинаковых комплекта R2, R3, VT1 образуют цепи управления лампочками.

Печатная плата. Собрано устройство на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 62,5x50 мм.

Разводку печатной платы для «лазерного утюга» и схему расположения деталей можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 1», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Разводка печатной платы устройства (62,5x50 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема расположения деталей устройства

Настройка. Настройки устройство не требует.

Аналоги. Если микросхемы К176ИЕ8 у вас не окажется, ее можно заменить зарубежным аналогом CD4017 или подобной ему. В серии К561 есть похожая по функциональности микросхема К561ИЕ9 (зарубежный аналог CD4022), но у нее несколько другое расположение выводов, и под нее придется переделывать плату.

Микросхему К176ЛА7 можно заменить микросхемой К561ЛА7 или зарубежным аналогом CD4011. Транзисторы — любые с рабочим напряжением не ниже 300 В и допустимым током не ниже тока потребления ламп. Стабилитрон VD1 — любой с напряжением стабилизации 8—10 В, диоды VD2, VD3 — любые импульсные, VD4 — любой выпрямительный с допустимым напряжением не ниже 600 В и допустимым током не ниже тока потребления ламп.

Конденсатор С2 обязательно должен быть керамическим. Конденсатор С4 — любой неэлектролитический (например, типа К73-17) с допустимым напряжением не ниже 250 В, конденсаторы С3 и С5 — электролитические с рабочим напряжением не ниже 10 В и 350 В, соответственно.

Все резисторы — SMD типоразмера 0805 (соответствуют резисторам МЛТ-0,125). К остальным деталям особых требований нет.

Внешний вид устройства приведен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Внешний вид устройства

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 1» — > «Бегущие огни на микросхемах».

Бегущие огни на микроконтроллере

Принципиальная схема. Сразу представлю читателям схему устройства (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема варианта «бегущих огней» на микроконтроллере

Первое, что бросается в глаза — что схемы-то, собственно говоря, и нет! Есть просто «кубик» (в физике такие «кубики» остроумно нарекли «черными ящиками»), к которому подключены четыре симистора с лампочками, есть знакомая нам цепь питания, причем не с конденсатором, а с резистором — и все! Как же все это работает?

Нет ли внутри этого «кубика» знакомого нам генератора, или счетчика или еще чего-нибудь подобного? Разумеется, есть, уважаемый радиолюбитель, и не просто есть — их там тысячи!

Микроконтроллер — это, по сути, маленькая ЭВМ, а не просто микросхема с десятком ножек. И управляется этот микроконтроллер программой, записанной в него с помощью программатора.

Давайте на минутку представим себя, уважаемый радиолюбитель, маленьким человечком, который умеет управлять разными электронными детальками — тиристорами, транзисторами, лампочками и проч. Как бы поступил такой маленький человечек, если бы мы попросили его изобразить нам «бегущие огни»? Наверное, он бы:

♦ Включил бы первую лампочку.

♦ Подождал бы некоторое время (например, одну секунду).

♦ Выключил бы первую лампочку.

♦ Включил бы вторую лампочку.

♦ Снова подождал бы некоторое время.

♦ Выключил бы вторую лампочку.

♦ Включил бы третью лампочку.

♦ Снова подождал бы некоторое время.

♦ Выключил бы третью лампочку.

♦ Включил бы четвертую лампочку.

♦ Снова подождал бы некоторое время.

♦ Выключил бы четвертую лампочку.

♦ И начал бы все снова по списку, начиная с самой первой строчки — мы ведь не просили его останавливаться!

Вот такая запись плана работ на специальном искусственном языке (он называется языком программирования) и называется программой. А наш маленький человечек — это и есть микроконтроллер, выполняющий эту программу. К великому сожалению, сообщить вам что-то большее про программу автор не может: программирование — это совершенно особая наука, и про него надо писать отдельную книжку, либо найти и прочитать уже написанную, например, такую.

Бедов А. В.

Разработка устройств на микроконтроллерах AVR: шагаем от «чайника» до профи. Книга + видеокурс. — СПб.: Наука и Техника, 2012. — 528 с: ил. + CD. ISBN 978-5-94387-825-1.

Коротко о книге.

Этот популярный самоучитель поможет вам всего за шесть шагов пройти путь от «чайника», изучающего азы цифровой техники, до вполне готового специалиста, умеющего самостоятельно разрабатывать схемы любых устройств на микроконтроллерах и составлять для них программы. Познав основы цифровой логики, поймете, как работают более сложные элементы цифровой техники.

Затем освоите основы микропроцессорной техники, поймете, как работает микропроцессор и микроконтроллер. Узнаете подробности внутреннего устройства, архитектуру и возможности семейства микроконтроллеров AVR, освоите основы схемотехники и конструирования микроэлектронных устройств.

Научитесь ставить задачу на разработку устройства и выбирать стратегию ее решения.

Изучите сразу два языка программирования для микроконтроллеров (язык Ассемблера и язык СИ), научитесь транслировать, отлаживать программы, прошивать их в память микроконтроллера. Теперь вы уже самостоятельно сможете разработать собственное микроконтроллерное устройство.

Видеокурс на CD проиллюстрирует и позволит закрепить материал основного курса. На том же диске вы найдете всю необходимую для обучения информацию (инсталляционные пакеты программ, справочные материалы, обучающие примеры).

Книга предназначена для широкого круга читателей.

* * *

Плата. Само устройство собрано на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, размерами 42,5x17,5 мм. Разводку печатной платы для «лазерного утюга» и схему расположения деталей можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 1», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Разводка печатной платы устройства (42,5х 17,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема расположения деталей устройства

Настройка. Настройки устройство не требует, но микроконтроллер перед работой необходимо запрограммировать. Программу для микроконтроллера (включая исходные тексты) можно взять с прилагаемого к книге диска («Видеоурок 1», раздел «SOFT»). Программируется микроконтроллер, как уже упоминал автор, с помощью специального устройства — программатора. Попросите своих родителей, друзей, знакомых или просто участников какого-нибудь интернет-форума, чтобы вам помогли ее записать в микроконтроллер (или подсказали, где и как это сделать) — самим вам пока эта задача, скорее всего, не под силу.

Аналоги. Микроконтроллер, примененный в нашей конструкции — типа ATTiny13. Заменить его можно на микроконтроллеры ATTiny25, ATTiny45 или ATTiny85, хотя они стоят заметно дороже. Кроме того, эта замена потребует небольшой переделки программы, поскольку разводка сигналов по ножкам этих контроллеров немного различается.

Примечание.

Обратите внимание — не переделки печатной платы, а переделки программы! Это— огромное преимущество программируемых микроконтроллеров по сравнению с обычными микросхемами — гибкость.

Все резисторы в нашей конструкции — SMD типоразмера 0805 (соответствуют резисторам МЛТ-0,125). Неэлектролитические конденсаторы — также SMD типоразмера 0805 (их можно заменять только керамическими конденсаторами). Резистор R3 — любой с допустимой мощностью рассеяния не менее 1 Вт. Симисторы — любые с рабочим напряжением не ниже 400 В, допустимым током не ниже тока потребления лампочек, и как можно меньшим током управляющего электрода (в пределах 20–30 мА, а лучше 5—10 мА). Выходные линии микроконтроллера достаточно слабенькие, симистор с большим управляющим током они могут просто не включить. Остальные детали — любые.

Внешний вид устройства приведен на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Внешний вид устройства

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 1» — > «Бегущие огни на микроконтроллере» на прилагаемом диске.

Бегущие огни на электромагнитных реле

Не смейтесь, уважаемый радиолюбитель! Если вы думаете, что до изобретения транзистора люди жили в пещерах и питались съедобной плесенью, то вы очень глубоко заблуждаетесь. Схему, которая приведена на рис. 1.9, можно было собрать и пятьдесят, и сто лет назад. И — что удивительно, — их собирали!

Рис. 1.9. Схема варианта «бегущих огней» на электромагнитных реле

Итак, имеются два реле, два конденсатора и три резистора, соединенные кучкой проводов. Как же они обеспечат нам бег огней в этой, без всякого преувеличения, исторической схеме? Разберем ее работу подробнее, потому что в силу древности таких схем прочитать об этом в другом месте вам вряд ли удастся.

В начальный момент времени конденсатор С2 через первую контактную группу реле Rel1, резистор R2 и третью контактную группу реле Rel2 соединен с шиной питания и заряжен до напряжения +36 В.

Конденсатор С1 через резистор R1 и четвертую контактную группу реле Rel1 начинает заряжаться от шины питания. Когда напряжение на нем достигнет величины 24 В (это произойдет примерно через секунду после включения питания), сработает реле Rel1, обмотка которого подключена параллельно конденсатору С1.

В результате срабатывания резистор R1 отключается от напряжения питания, и конденсатор начинает разряжаться через обмотку реле Rel1, удерживая его в сработавшем состоянии. Когда напряжение на конденсаторе упадет примерно до 7 В, реле отпустит якорь, резистор R1 снова окажется подключен к напряжению питания, и цикл повторится. Все это есть не что иное, как мультивибратор, только собранный на реле.

Что же происходит в это время с реле Rel2? В момент срабатывания реле Rel1 конденсатор С2 через первую контактную группу реле Rel1 оказывается подключенным к обмотке реле Rel2. Напряжение на нем, как мы уже говорили, равно напряжению питания. Поэтому в обмотке реле Rel2 немедленно возникает бросок тока, приводящий к срабатыванию реле Rel2. Через свою четвертую контактную группу реле Rel2 подключает резистор R3 к напряжению питания. И теперь через обмотку реле Rel2 все время будет течь ток, поддерживающий его во включенном состоянии, т. е. новое состояние реле будет устойчивым.

Когда реле Rel1 отпустит якорь, конденсатор С2 отключается от обмотки реле Rel2 и через первую контактную группу реле Rel1, резистор R2 и третью контактную группу реле Rel2 оказывается подключен — не к напряжению сети, как было ранее, а к общему проводу (потому что уже сработало реле Rel2).

Напряжение на нем, разумеется, быстро падает до нуля. Когда в следующий раз сработает реле Rel1, это конденсатор окажется подключенным к обмотке реле Rel2, и фактически замкнет его обмотку. Реле Rel2 при этом немедленно отпустит якорь, резистор R3 окажется отключенным от шины питания и реле останется в этом новом устойчивом состоянии.

Узнаете, уважаемый радиолюбитель, какое устройство автор только что описал? Конечно же, это — триггер, еще один компонент цифровой электроники! Недаром первые ЭВМ, изготовленные еще в 30-е годы прошлого столетия, собирались на электромагнитных реле!

Ну а вторая и третья контактные группы реле Rel1 и вторая контактная группа реле Rel2 образуют еще один известный в цифровой электронике блок — дешифратор, выбирающий для горения одну из четырех гирлянд.

Автор отнюдь не случайно так подробно расписывает работу этого простейшего устройства. Именно такими километровыми текстами были буквально напичканы радиотехнические книги тех давних лет.

Думается, теперь Вы, уважаемый читатель, сильнее почувствуете, какой огромный путь прошла электроника с тех далеких времен. Мы не предлагаем читателю сделать эти «бегущие огни» самому, а вот посмотреть (а главное — послушать!) их работу можно на ролике (с прилагаемого диска): «Видеоурок 1» — > «Бегущие огни на электромагнитных реле». Представляете, с каким звуком работали в те годы те уже далекие первые ЭВМ!

Шаг 2

СВЕТОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Немного о цветном слухе

Светодинамические установки (та самая «цветомузыка») пользовались огромной популярностью в 70—80-х годах прошлого века. Ныне же интерес к ним в значительной степени угас. Идея, положенная в основу этих устройств (далее будем называть их СДУ) заключается в том, чтобы связать спектральный состав звукового сигнала с определенным цветом светового сопровождения музыки.

Существует такой интересный, хотя и весьма редкий, феномен человеческой психики, который называется «цветной слух». Заключается он в том, что в мозгу некоторых людей образуется связь между слуховым и зрительным каналами восприятия, и они в самом прямом смысле «видят» звуки окрашенными в тот или иной цвет зрительными образами. Бесполезный с точки зрения выживания особи, феномен этот не закрепился в процессе эволюции, тем не менее, он существует. Люди, подверженные этому феномену, называются синестетиками. Синестетиками были многие музыканты, в частности, великий русский пианист А. Н. Скрябин. Именно он еще в 1910 году, т. е. уже более ста лет назад, впервые в мире включил в партитуру своей симфонии «Прометей» партию совершенно нового инструмента «Luce» (световая клавиатура), создав, таким образом, первое в мире светомузыкальное произведение.

Принцип работы СДУ

Принцип работы СДУ довольно несложен. На вход устройства подается звуковой сигнал, который надо «освЕтить» (по аналогии со словом «озвучить»). Сигнал этот разделяется на несколько частотных полос, обычно на три или на четыре (Luce Скрябина содержал 12 цветов, как и положено нормальной гамме). Затем сигнал каждой из частотных полос подается на амплитудный детектор, выделяющий его огибающую, а с него — на устройство управления светоизлучателем (например, лампой накаливания).

Чем сильнее сигнал данной частотной полосы — тем ярче будет светиться соответствующая лампа. Традиционно каналы, связанные с низкочастотными полосами, подсвечиваются красной лампой, среднечастотной — зеленой, и высокочастотной — синей.

Примечание.

На взгляд автора это— не более чем произвольное допущение (если не сказать — предрассудок), вытекающее из школьного курса физики. Ведь красный свет имеет большую длину волны, и, следовательно, он более низкочастотен. А синий свет, наоборот, меньшую длину волны, и, следовательно, он менее низкочастотен…

Достаточно взглянуть на цвета скрябинского Luce, чтобы увидеть — он похож на что угодно, но только не на радугу, и очевидным образом отражает цветовые ассоциации именно скрябинского мозга.

Проблемы при конструировании СДУ

При конструировании СДУ возникает ряд проблем. Первая, и очень важная, — огромный диапазон слухового восприятия человека: от шелеста травы до рева реактивного двигателя.

Человеческий слух имеет логарифмическую характеристику чувствительности, при этом разница между самым тихим и самым громким звуком может достигать 120–140 дБ. Диапазон же практически любого светоизлучателя, в самом лучшем случае, — на несколько порядков меньше (например, кодировка цветов в стандарте VGA, используемом во всех компьютерных мониторах, имеет всего по 256 градаций, или менее 50 дБ).

Вторая проблема связана уже с особенностями человеческого зрения — из-за постоянных резких перепадов освещенности (в такт музыке) глаза человека достаточно быстро утомляются (зрачку приходится постоянно расширяться и сужаться, чтобы поддерживать освещенность внутри глаза на оптимальном уровне — этот процесс называется адаптацией). По этой причине во многих СДУ вводится т. н. фоновый канал, который подсвечивает экран СДУ в то время, когда остальные каналы «молчат», чтобы выровнять среднюю освещенность экрана.

Ну и самая главная проблема — феномен «цветного слуха» является уделом весьма немногих, поэтому каких-то особых экстатических переживаний, кроме самого факта наличия сабжа, СДУ у большинства людей не вызывает. Именно этим объясняется довольно быстро схлынувший интерес к СДУ, что, впрочем, не помешает нам ее изготовить.

Первый вариант СДУ, который мы сделаем, будет… на транзисторах.

Светодинамическая установка на транзисторах

Принципиальная схема. Схема устройства приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Принципиальная схема СДУ на транзисторах КП957А

Звуковой сигнал поступает на вход предварительного усилителя на транзисторах T1, T2. С выхода усилителя сигнал через разделительные фильтры поступает на базы транзисторов Т4, работающих в режиме активных АМ-детекторов. Лампы накаливания включены в коллекторные цепи транзисторов. Транзистор ТЗ предназначен для установки режимов работы транзисторов Т4, оптимальных для детектирования сигнала.

Печатная плата. Устройство собрано на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 61,25x25 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок, 2», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Разводка печатной платы (61,25x25 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема расположения деталей

Элементная база. Конденсатор С9 — любой пленочный (например, типа К73-17) на напряжение не менее 250 В, С10 — любой электролитический (например, типа К50-35) на напряжение не менее 350 В, диод VD4 — любой на обратное напряжение не менее 600 В и ток не менее 1 А. Остальные детали — на напряжение не менее 16 В.

Электролитические конденсаторы — любого типа (например К50-35), керамические — SMD типоразмера 0805. Все резисторы — SMD типоразмера 0805.

Наладка. Какой-либо наладки устройство не требует. Внешний вид устройства приведен на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Внешний вид СДУ на транзисторах

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 2» — > «СДУ на транзисторах».

Светодинамическая установка на микросхемах

Принципиальная схема. Схема устройства приведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Принципиальная схема СДУ на микросхемах

Звуковой сигнал поступает на вход микросхемы DA1, где усиливается и через разделительные фильтры поступает на светодиоды симисторных оптопар HL1. Диоды VD5 обеспечивают «детекторный» режим работы светодиода оптопары, пропуская через себя один полупериод входного сигнала.

Печатная плата. Устройство собрано на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 85x30 мм. Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 2», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Разводка печатной платы (85x30 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема расположения деталей

Элементная база. Конденсатор С2 — любой пленочный (например, типа К73-17) на напряжение не менее 250 В. Остальные детали — на напряжение не менее 16 В. Электролитические конденсаторы — любого типа (например К50-35), керамические — SMD типоразмера 0805. Все резисторы — SMD типоразмера 0805.

Наладка. Какой-либо наладки устройство не требует.

Внешний вид устройства приведен на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Внешний вид СДУ на микросхемах

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 2» — > «СДУ на микросхемах».

Шаг 3

УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Как работает усилитель низкой частоты

Требования к УНЧ. Прежде чем приступить к изготовлению усилителя низкой частоты (УНЧ), коснемся самым кратким образом основ его работы. Основную функцию УНЧ можно сформулировать одной фразой — усилить входной звуковой сигнал до мощности, необходимой для его воспроизведения акустической системой (АС), и при этом внести в сигнал минимальные искажения.

Для выполнения этой функции УНЧ должен:

♦ во-первых, иметь высокий коэффициент усиления по мощности;

♦ во-вторых, иметь максимально линейную передаточную характеристику, т. е. график зависимости величины сигнала на выходе усилителя от величины сигнала на его входе должен представлять собой абсолютно прямую линию, проходящую через точку (0,0) координатной плоскости.

Примечание.

Увы, такая характеристика, как и все идеальное, практически недостижима, потому что усилительные элементы, будь то лампы, транзисторы или микросхемы, обладают передаточными характеристиками, зачастую даже отдаленно не напоминающими прямую линию.

Вдобавок ко всему, форма этих характеристик зависит еще и от частоты сигнала, подаваемого на вход, хотя на низких частотах эта зависимость редко приобретает катастрофические масштабы. Как же в таких условиях добиться качественной работы усилителей?

Передаточные характеристики. Рассмотрим для примера передаточную характеристику транзистора (рис. 3.1, а). Она представляет собой замысловатую кривую, которую с массой оговорок можно назвать экспонентой.

На графике (рис. 3.1, а) легко можно увидеть, что верхняя часть кривой более-менее похожа на прямую линию (по крайней мере, по сравнению с нижней ее частью). Если бы нам удалось для усиления сигнала использовать только верхнюю часть кривой, то мы получили бы достаточно хорошее приближение к идеалу.

Сделать это довольно просто — надо подать на вход транзистора вместе с усиливаемым сигналом еще дополнительную постоянную составляющую, которая сместит усиливаемый сигнал в «почти прямую» область передаточной характеристики (рис. 3.1, б). Эта дополнительная составляющая так и называется — «смещение».

Рис. 3.1. Упрощенная передаточная характеристика транзистора

Режимы работы усилительных элементов. В зависимости от соотношения величины сигнала и величины смещения различаются несколько режимов работы усилительных элементов:

♦ режим А — величина смещения заведомо больше любого возможного сигнала на входе усилителя;

♦ режим В — величина смещения такова, что суммарный сигнал может заходить в область начального изгиба передаточной кривой, а порой даже и в левую часть графика, где транзистор вовсе не усиливает сигнал;

♦ режим С — смещение как таковое отсутствует совсем.

Конечно, самый лучший в плане приближения к идеалу — режим А, но за такое приближение приходится платить очень дорогую цену, ведь усилительный элемент усиливает не только полезный сигнал, но и поданное смещение. Усиление же связано с выделением теплоты — так уж устроила природа. КПД усилителей класса А (класс усилителя определяется режимом работы его выходных транзисторов) даже теоретически не может быть больше 50 %, в реальности же он еще меньше.

Непременный атрибут усилителей класса А — гигантские радиаторы. Поэтому в чистом виде класс А в УНЧ применяется достаточно редко, обычно это все-таки некая разновидность класса В или же класса АВ — нечто среднее между этими двумя классами.

Главный недостаток класса В — то, что входной сигнал может временами оказываться в области, где усиления сигнала нет вовсе. Во что превратится в этом случае выходной сигнал, лучше даже не думать.

Как решить эту проблему?

До ответа специалисты додумались много десятилетий назад — нужно, чтобы сигнал усиливал не один элемент, а два! Один — одну «половину» сигнала, другой — другую. Сделать это довольно просто — нужно подать входной сигнал на два транзистора разной проводимости (т. н. комплементарная пара) либо подать на два одинаковых транзистора два противофазных сигнала, а усиленные сигналы определенным образом сложить. Передаточная характеристика такой «парочки» получается не совсем прямой, в области небольших сигналов у нее присутствует т. н. «ступенька», но ее в некоторой степени можно «задавить» смещением.

Усилители, в которых для усиления сигнала используется пара усилительных элементов, называются двухтактными, в отличие от однотактных, в которых такой элемент один.

Класс С, несмотря на свою высокую экономичность, в УНЧ используется очень редко — слишком велики вносимые им искажения. Зато этот класс с успехом применяется в передатчиках. Ведь в силу специфики излучаемого передатчиком сигнала в передающей технике существуют эффективные способы устранения искажений, вносимых каскадом, работающим в классе С. При этом экономичность каскада при излучаемой передатчиком мощности в единицы, десятки или даже сотни киловатт становится слишком серьезным фактором, чтобы им пренебрегать.

Впрочем, инженерная мысль и здесь не дремлет — в культовом УНЧ «Quad-405» и его клонах разработчики путем оригинального технического решения заставили-таки выходные транзисторы работать в классе С, и получить при этом прекрасный звук!

Примечание.

Как видите, уважаемый радиолюбитель, получить идеально линейную передаточную характеристику, только манипулируя режимами работы усилительных элементов, представляет собой весьма сложную задачу.

Обратная связь. И здесь на помощь разработчикам УНЧ приходит техническое решение, широко применяющееся в устройствах автоматического регулирования — обратная связь (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Что такое «обратная связь»

Идея обратной связи проста — усиливаемый сигнал подается не на вход усилительного элемента, а на вход специального блока сравнения. На другой его вход через делитель напряжения R1, R2 подается сигнал с выхода усилительного элемента. Если оба сигнала одинаковы, на выходе устройства сравнения сигнала нет. Если же они отличаются, на выходе устройства сравнения появляется такой сигнал. Будучи поданным на усилительный элемент, он приведет выходной сигнал усилителя в точное соответствие его входному сигналу. Поэтому выходной сигнал усилителя всегда будет пропорционален входному, а коэффициент пропорциональности (читай — коэффициент усиления) будет определяться только соотношением величин резисторов делителя напряжения R2/R1. Эти резисторы по природе своей являются элементами с той самой линейной передаточной характеристикой, которую мы так стремимся получить.

Примечание.

Красивая эта теория на практике, разумеется, имеет свои нюансы, но введение обратной связи в усилители реально и очень существенно улучшает качество звука.

Качество звука. Сказав «качество звука», мы поднимаем целый пласт вопросов, связанный с объективной оценкой качества усилителя: субъективные-то оценки давать проще простого — «не нравится» и точка! Для оценок качества звучания усилителя используются различные показатели. Например, коэффициент гармоник — рассчитанное по результатам измерений соотношение величины гармоник сигнала к основному тону (грубо говоря, сколько отсебятины вносит усилитель в исходный сигнал).

Понятно, что чем меньше вносимые усилителем искажения, тем лучшими, по большому счету, будут соответствующие коэффициенты. Нужно только не забывать, что вы, уважаемый радиолюбитель, делаете усилитель не для того, чтобы наслаждаться низким коэффициентом гармоник, а чтобы слушать музыку.

Примечание.

Запросто может случиться, что усилитель с худшими цифровыми показателями звучит приятнее для вашего слуха. Совет в этом случае один — махните рукой на цифры! Если вы думаете, что все мужчины мира женаты на 90-60-90, это одно из самых глубоких ваших заблуждений!

Итак, по необходимости краткий экскурс в область, касающуюся усилителей низкой частоты, закончен. Поскольку в качестве примеров мы с вами рассматривали транзисторы, первый вариант усилителей у нас и будет… на транзисторах.

Усилитель низкой частоты на транзисторах

Выбор класса усилителя. Сразу предупредим радиолюбителя — делать однотактный усилитель класса А на транзисторах мы не будем. Причина проста — как было сказано во введении, транзистор усиливает не только полезный сигнал, но и поданное на него смещение. Проще говоря, усиливает постоянный ток. Ток этот вместе с полезным сигналом потечет по акустической системе (АС), а динамики, к сожалению, умеют этот постоянный ток воспроизводить. Делают они это самым очевидным образом — вытолкнув или втянув диффузор из нормального положения в противоестественное.

Попробуйте прижать пальцем диффузор динамика — и вы убедитесь, в какой кошмар превратится при этом издаваемый звук. Постоянный ток по своему действию с успехом заменяет ваши пальцы, поэтому динамической головке он абсолютно противопоказан. Отделить же постоянный ток от переменного сигнала можно только двумя средствами — трансформатором или конденсатором, — и оба варианта, что называется, один хуже другого.

Первый усилитель. Принципиальная схема. Схема первого усилителя, который мы соберем, приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема первого варианта транзисторного УНЧ

Это усилитель с обратной связью, выходной каскад которого работает в режиме В. Единственное достоинство этой схемы — простота, а также однотипность выходных транзисторов (не требуется специальные комплементарные пары). Тем не менее, она достаточно широко применяется в усилителях небольшой мощности. Еще один плюс схемы — она не требует никакой настройки, и при исправных деталях заработает сразу, а нам это сейчас очень важно.

Рассмотрим работу этой схемы. Усиливаемый сигнал подается на базу транзистора VT1. Усиленный этим транзистором сигнал с резистора R4 подается на базу составного транзистора VT2, VT4, а с него — на резистор R5. Транзистор VT3 включен в режиме эмиттерного повторителя. Он усиливает положительные полуволны сигнала на резисторе R5 и подает их через конденсатор С4 на АС. Отрицательные же полуволны усиливает составной транзистор VT2, VT4. При этом падение напряжения на диоде VD1 закрывает транзистор VT3. Сигнал с выхода усилителя подается на делитель цепи обратной связи R3, R6, а с него — на эмиттер входного транзистора VT1. Таким образом, транзистор VT1 у нас и играет роль устройства сравнения в цепи обратной связи.

Примечание.

Обратите внимание — последовательно с резистором R3 включен конденсатор С2. Это значит, что делитель напряжения у нас частотно-зависимый.

Постоянный ток он усиливает с коэффициентом усиления, равным единице (потому что сопротивление конденсатора постоянному току теоретически бесконечно), а полезный сигнал — с коэффициентом, равным соотношению R6/R3.

Как видим, величина емкостного сопротивления конденсатора в этой формуле не учитывается. Частота, начиная с которой конденсатором при расчетах можно пренебречь, называется частотой среза RC-цепочки. Частоту эту можно рассчитать по формуле

F = 160/(RxC).

где F — частота среза, кГц; R — сопротивление резистора RC-цепочки, ом; С — емкость конденсатора RC-цепочки, мкФ.

Для нашего примера она будет около 3 Гц, т. е. гораздо ниже нижнего порога человеческого слуха.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 45x32,5 мм. Разводку печатной платы можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Разводка печатной платы устройства (45x32,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Внешний вид усилителя

Элементная база. При изготовлении усилителя транзисторы VT3, VT4 можно заменить любыми, рассчитанными на напряжение не менее напряжения питания усилителя, и допустимым током не менее 2 А. На такой же ток должен быть рассчитан и диод VD1. Остальные транзисторы — любые с допустимым напряжением не менее напряжение питания, и допустимым током не менее 100 мА. Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт, конденсаторы — электролитические, с емкостью, не менее указанной на схеме, и рабочим напряжением на менее напряжения питания усилителя.

Радиаторы для усилителя. Прежде чем попробовать изготовить нашу вторую конструкцию, давайте, уважаемый радиолюбитель, остановимся на радиаторах для усилителя. Та маленькая алюминиевая штучка, которую вы видели в ролике, пригодна для демонстрации работы усилителя, но совершенно не подходит для его нормальной эксплуатации. С таким игрушечным радиатором выходные транзисторы сгорят через пару минут громкой музыки. Полный тепловой расчет радиаторов достаточно сложен, поэтому приведем здесь весьма упрощенную методику их расчета.

Во-первых, вычисляем максимальную мощность усилителя по формуле:

Р = (UхU)/(8хR), Вт,

где U — напряжение питания усилителя, В; R — сопротивление АС (обычно оно составляет 4 или 8 Ом, хотя бывают и исключения).

Во-вторых, вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторах транзисторов, по формуле:

Ррас = 0,25хР, Вт.

В-третьих, вычисляем площадь радиатора, необходимую для отвода соответствующего количества тепла:

S = 20xPpac, см^2.

В-четвертых, выбираем или изготавливаем радиатор, площадь поверхности которого будет не менее рассчитанной.

Примечание.

При изготовлении радиатора не забывайте, что алюминиевая пластина имеет две стороны, а не одну, и радиатор площадью 100 см^2 будет иметь размеры вовсе не 10x10 см, а 10x5 см!

Указанный расчет носит весьма приблизительный характер, но для радиолюбительской практики его обычно бывает достаточно. Для нашего усилителя при напряжении питания 12 В и сопротивлении АС, равным 8 Ом, «правильным» радиатором была бы алюминиевая пластина размерами 2x3 см и толщиной не менее 5 мм для каждого транзистора. Имейте в виду, что более тонкая пластина плохо передает тепло от транзистора к краям пластины. Хочется сразу предупредить — радиаторы во всех остальных усилителях тоже должны быть «нормальных» размеров. Каких именно — посчитайте сами!

Смотрим ролик. Работу устройства смотрим на прилагаемом диске: ролик «Видеоурок 3» — > «Первый УНЧ на транзисторах». Хочется сразу предупредить радиолюбителя — звук, воспроизводимый усилителем, записывался в ролике с помощью встроенного в фотоаппарат микрофона, так что говорить о качестве звука, к сожалению, будет не совсем уместно!

Качество звучания. Если вы, уважаемый радиолюбитель, внимательно просмотрели (точнее, прослушали) ролик, то обратили внимание, что звук усилителя не совсем чистый — это заметно даже с тем микрофоном, который использовался при записи.

Причина этой «нечистоты» — «чистый» режим класса В в выходном каскаде, характерные искажения которого даже обратная связь полностью скомпенсировать не способна. Ради эксперимента попробуйте заменить в схеме транзистор VT1 на КТ3102ЕМ, а транзистор VT2 — на КТ3107Л. Эти транзисторы имеют значительно больший коэффициент усиления, чем КТ315Б и КТ361Б. И вы обнаружите, что звучание усилителя значительно улучшилось, хотя все равно останутся заметными некоторые искажения.

Причина этого также очевидна — больший коэффициент усиления усилителя в целом обеспечивает большую точность работы обратной связи, и больший ее компенсирующий эффект.

Второй усилитель. Принципиальная схема. Схема второго нашего усилителя значительно сложнее, но зато позволяет получить и более качественное звучание. Достигнуто это за счет более совершенной схемотехники, большего коэффициента усиления усилителя (и, следовательно, более глубокой обратной связи), а также возможностью регулировать начальное смещение транзисторов выходного каскада.

Схема нового варианта усилителя приведена на рис 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная схема второго варианта транзисторного УНЧ

Этот усилитель, в отличие от своего предшественника, питается от двуполярного источника напряжения.

Примечание.

Чтобы избежать в дальнейшем путаницы, будем считать напряжением питания этого усилителя напряжение каждой половины источника, а не их общую сумму.

Входной каскад усилителя на транзисторах VT1—VT3 образует т. н. дифференциальный усилитель. Транзистор VT2 в дифференциальном усилителе является источником тока (довольно часто в дифференциальных усилителях в качестве источника тока ставят обычный резистор достаточно большого номинала). А транзисторы VT1 и VT3 образуют два пути, по которым ток из источника уходит в нагрузку.

Если ток в цепи одного транзистора увеличится, то ток в цепи другого транзистора уменьшится на точно такую же величину — источник тока поддерживает сумму токов обоих транзисторов постоянной. В итоге транзисторы дифференциального усилителя образуют почти «идеальное» устройство сравнения, что важно для качественной работы обратной связи. На базу одного транзистора подается усиливаемый сигнал, на базу другого — сигнал обратной связи через делитель напряжения на резисторах R6, R8.

Противофазный сигнал «расхождения» выделяется на резисторах R4 и R5, и поступает на две цепочки усиления:

♦ транзистор VT7;

♦ транзисторы VT4—VT6.

Примечание.

Эти три транзистора образуют т. н. «токовое зеркало», обладающее интересным свойством — ток, проходящий через транзистор VT6, в точности равен току, проходящему через транзистор VT5.

Когда сигнал рассогласования отсутствует, токи обеих цепочек, т. е. транзисторов VT7 и VT6, равны, и напряжение в точке соединения их коллекторов (в нашей схеме такой точкой можно считать транзистор VT8) в точности равно нулю.

При появлении сигнала рассогласования токи транзисторов становятся разными, и напряжение в точке соединения становится больше или меньше нуля. Это напряжение усиливается составным эмиттерным повторителем, собранным на комплементарных парах VT9, VT10 и VT11, VT12, и поступает на АС — это выходной сигнал усилителя.

Транзистор VT8 используется для регулировки т. н. тока «покоя» выходного каскада. Когда движок подстроечного резистора R14 находится в верхнем по схеме положении, транзистор VT8 полностью открыт. При этом падение напряжение на нем минимально. Если же перемещать движок резистора в нижнее положение, падение напряжения на транзисторе VT8 будет увеличиваться. А это равносильно внесению сигнала смещения в базы транзисторов выходного эмиттерного повторителя. Происходит смещение режима их работы от класса С до класса В, а в принципе — и до класса А. Это, как мы уже знаем, один из способов улучшения качества звука — не следует полагаться в этом только на действие обратной связи.

Плата. Усилитель собран на плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 50x47,5 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Разводка печатной платы устройства (50x47,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Внешний вид усилителя

Настройка. Настройка усилителя заключается в установке тока покоя выходного каскада резистором R14 по минимуму искажений. Не перестарайтесь — слишком большой ток покоя просто сожжет ваш выходной каскад. Обычно рекомендуется устанавливать его в районе 100 мА.

Аналоги и элементная база. При отсутствии необходимых деталей транзисторы VT1, VT3 можно заменить любыми малошумящими с допустимым током не менее 100 мА, допустимым напряжением не ниже напряжения питания усилителя и как можно большим коэффициентом усиления.

Совет.

Для качественной работы усилителя важно, чтобы характеристики этих транзисторов были максимально идентичны. Так что обязательно приобретайте сразу пару транзисторов, а не собирайте их «с бору по сосенке». Приобретенная пара, как правило, оказывается из одной партии, так что есть надежда получить достаточное приближение к идеалу.

Специально для таких схем промышленностью выпускаются транзисторные сборки, представляющие собой пару транзисторов в одном корпусе с максимально подобными характеристиками — это был бы идеальный вариант.

Транзисторы VT9 и VT10 обязательно должны быть комплементарными, также как и VT11, и VT12. Они должны быть рассчитаны на напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя (не забыли, уважаемый радиолюбитель, что усилитель питается от двухполярного источника напряжения?).

Для зарубежных аналогов комплементарые пары обычно указываются в документации на транзистор, для отечественных приборов — придется попотеть в Инете! Транзисторы выходного каскада VT11, VT12 дополнительно должны выдерживать ток, не меньший:

Iв = U/R, A

где U — напряжение питания усилителя; R — сопротивление АС.

Примечание.

Также транзисторы выходного каскада должны иметь допустимую рассеиваемую мощность не менее выделяемой. Формула для ее расчета была приведена в расчете радиаторов, но в качестве U нужно использовать удвоенное напряжение питания усилителя.

Для транзисторов VT9, VT10 допустимый ток должен быть не менее:

Iп = Iв/В, А,

где Iв — максимальный ток выходных транзисторов; В — коэффициент усиления выходных транзисторов.

Обратите внимание, что в документации на мощные транзисторы иногда приводятся два коэффициента усиления — один для режима усиления «малого сигнала», другой — для схемы с ОЭ.

Вам нужен для расчета тот, который не для «малого сигнала». Обратите внимание также на особенность транзисторов КТ972/КТ973 — их коэффициент усиления составляет более 750. Найденный вами аналог должен обладать не меньшим коэффициентом усиления — это существенно для данной схемы. Остальные транзисторы должны иметь допустимое напряжение не менее удвоенного напряжения питания усилителя и допустимый ток не мене 100 мА.

Резисторы — любые с допустимой рассеиваемой мощностью не менее 0,125 Вт. Конденсаторы — электролитические, с емкостью не менее указанной и рабочим напряжением не менее напряжения питания усилителя.

Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» — > «Второй УНЧ на транзисторах» на прилагаемом диске.

Усилитель низкой частоты на микросхемах

Схема на К174УН14. Микросхемы в усилителях низкой частоты применяются двояким образом — либо как составная часть усилителя, либо как усилитель целиком «в одном флаконе». Ярким примером второй концепции является микросхема К174УН14 (зарубежный аналог TDA2003).

Эта пятиногая микросхема в корпусе ТО-220 (в такие корпуса упакованы транзисторы КТ818—КТ819) представляет собой полностью готовый к употреблению усилитель, к которому требуется только подсоединить несколько элементов обвязки.

Схема такого усилителя приведена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Принципиальная схема первого варианта УНЧ на микросхемах

Она является типовой и приводится в описании на данную микросхему. Сразу хочется дать читателю один совет на будущее — с незнакомыми микросхемами свою первую конструкцию всегда собирайте по типовой схеме, потому что без надлежащего опыта работы с той или иной микросхемой вы не сможете определить, насколько критичным для работы является тип и/или номинал того или иного элемента типовой схемы. Случались в практике казусы, когда в нетиповом включении микросхема либо не работала вообще, либо работала так, что лучше бы и не надо.

Плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 22,5x30 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении и схему расположения деталей можно скачать скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 3.DXF), и посмотреть на рис. 3.12.

Рис 3.12. Разводка печатной платы устройства (22,5x30 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Внешний вид усилителя

Аналоги и элементная база. Никаких особых требований к заменяемым деталям нет, лишь бы их рабочее напряжение было не ниже напряжения питания микросхемы.

Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» —» «Первый УНЧ на микросхемах» на прилагаемом диске.

Схема на К157УД1. Примером применения микросхемы как составной части конструкции является усилитель, схема которого приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Принципиальная схема второго варианта УНЧ на микросхемах

Основой схемы является мощный операционный усилитель К157УД1, к выходу которого подключен двухкаскадный усилитель мощности на комплементарных парах VT1, VT2 и VT3, VT4.

Большой запас по мощности ОУ позволил применить в усилителе транзисторы с достаточно ординарными характеристиками, а большой запас усиления — применить в выходном каскаде режим С без дополнительной подстройки тока покоя.

Плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 27,5x45 мм.

Разводку печатной платы в зеркальном изображении можно скачать скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 3», файл 4.DXF), и посмотреть на рис. 3.16.

Рис 3.16. Разводка печатной платы устройства (27,5x45 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема расположения деталей устройства

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Внешний вид усилителя

Аналоги. При отсутствии необходимых деталей их следует заменить в соответствии с рекомендациями, изложенными при описании второго варианта транзисторного усилителя. Привыкайте, уважаемый радиолюбитель, к самостоятельности!

Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик: «Видеоурок 3» — > «Второй УНЧ на микросхемах» на прилагаемом диске.

Усилитель низкой частоты на электронных лампах

Электронные лампы — источник бесконечных «священных войн» в среде аудиофилов. Рассмотрим схему одного очень простого усилителя, чтобы радиолюбитель получил хотя бы некоторое представление о предмете. Схема усилителя приведена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Принципиальная схема лампового УНЧ

Это двухкаскадный однотактный усилитель класса А, собранный на комбинированных лампах 6ФЗП. Первый каскад собран на триодной части лампы Л1, и обеспечивает предварительное усиление сигнала.

Примечание.

Схема включения лампы очень похожа на схему включения полевого транзистора. Вернее, наоборот, схемы включения полевых транзисторов повторяют соответствующие ламповые схемы.

Стабилизация режима работы первого каскада осуществляется с помощью газового стабилитрона Л2. Сигнал с анода триода через разделительный конденсатор СЗ поступает на пентодную часть лампы, включенную по ультралинейной схеме класса А. Обратная связь в усилителе отсутствует. Однотактные усилители широко применяются в ламповой технике, потому что выходной трансформатор является практически неизбежной частью любого лампового усилителя. Слишком уж «неподходящей» нагрузкой для ламп являются динамические головки АС, а трансформатор, как уже упоминалось, эффективно «отсекает» постоянную составляющую анодного тока лампы, не пропуская ее в нагрузку.

К тому же однотактный усилитель намного проще в схемно-техническом отношении, и обладает — не станем утверждать, что лучшим, скажем — иным качеством звука. Обусловлено это тем, что из-за несимметрии передаточной характеристики усилительного элемента в режиме А, искажения сигнала обогащают сигнал четными гармониками, а в режимах двухтактного усиления (в котором работают практически все транзисторные усилители) передаточная характеристика оказывается куда более симметричной, хотя тоже далекой от идеала. В результате этого сигнал обогащается в основном нечетными гармониками.

Четные гармоники — это обычный октавный музыкальный ряд, привычный для человеческого уха, в отличие qt нечетных> никакого музыкального строя не образующих. И если четные гармоники просто делают звучание усилителя более звонким, чем следовало бы, то нечетные воспринимаются слухом как безграмотный немузыкальный аккорд, который легко замечает даже человек с оттоптанными медведем ушами.

Внешний вид усилителя приведен на рис. 3.20.

Смотрим ролик. Работу устройства демонстрирует ролик «Видеоурок 3» — > «УНЧ на лампах» на прилагаемом диске.

Шаг 4

УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D

В каких случаях нужен усилитель класса D

Высококачественный усилитель — вещь в хозяйстве нужная, однако далеко не всегда нам требуется самое высокое качество звука. Если нужно озвучивать, например, огромную площадь или дискотеку, то, конечно, никто на дискотеке не будет вслушиваться в звучание тарелочек и скрипочек. Надеюсь, читатели уже успели побывать на дискотеках!

Безусловно, и здесь требуется определенный уровень качества звука, чтобы, к примеру, не спутать одного DJ с другим. Но гораздо важнее в этих условиях легкость, компактность и экономичность аппаратуры. Усилители, собранные по обычным схемам, здесь не очень подходят — они тяжелы, громоздки и весьма прожорливы.

Примечание.

Напомню читателю — однотактный усилитель класса А рассеивает в тепло более 50 % потребляемой им энергии!

Именно для подобных применений и были в свое время разработаны усилители класса D.

Что общего у утюга и усилителя класса D

Проиллюстрировать основную идею усилителя класса D проще всего с помощью… утюга.

На каждом утюге есть маленькая вертящаяся ручка — терморегулятор. Устроен этот терморегулятор самым примитивным образом — маленькая пружинящая металлическая пластинка, изгибающаяся от нагрева, и винт, с той или иной силой прижимающий ее к контакту. При включении утюга он начинает разогреваться, вместе с ним разогревается и металлическая пластинка, а, разогреваясь, она при этом изгибается, и в какой-то момент изогнется настолько, что разрывает контакт.

Утюг начинает остывать, а вместе с ним — и металлическая пластинка, а остывая, она выпрямляется, и в какой-то момент выпрямится настолько, что снова замкнет контакт. Так и работает утюг — то нагреваясь, то остывая, но при этом его температура колеблется в районе некоторого среднего значения, потому что массивный утюг не может нагреться или остыть мгновенно.

Если прикрутить, или, наоборот, ослабить винт терморегулятора, пластинка будет разрывать контакт либо при более высокой, либо при более низкой температуре. Потому что ей нужно (или, наоборот, не нужно) преодолевать дополнительное усилие со стороны винта.

Практически такие же процессы происходят и при работе усилителя класса D, только там роль хозяйки, вращающей ручку терморегулятора, выполняет усиливаемый сигнал.

Функциональная схема

Рассмотрим функциональную схему усилителя класса D (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Функциональная схема усилителя класса D

Генератор (I) выдает в схему треугольное (либо, как вариант, пилообразное) напряжение. Следуя аналогии с утюгом, это — температура утюга, изменяющаяся во времени. Это напряжение поступает на один вход блока сравнения (II), на второй же вход блока сравнения поступает образцовый сигнал — это «уровень», на который настроен наш терморегулятор.

Если сигнал с первого входа становится больше сигнала на втором входе («утюг перегрелся»), то блок сравнения отключает ключ (III) — это «нагреватель» нашего «утюга». В результате этого среднее значение тока, текущего через динамическую головку (IV), становится пропорционально соотношению времени включенного и отключенного состояния ключа, которое напрямую зависит от величины эталонного сигнала. Роль же тепловой инерции утюга выполняет в данном случае масса диффузора головки.

Эта масса очень мала, но если генератор вырабатывает частоту в десятки и даже сотни килогерц (как оно обычно и бывает), даже этой небольшой массы становится вполне достаточно, чтобы сгладить колебания диффузора.

Осталась самая малость — вместо образцового сигнала подать на вход блока сравнения звуковой сигнал — и усилитель зазвучал!

Примечание.

Хочется обратить внимание читателя на то, что сигнал на выходе усилителя класса D совершенно не похож на входной. Это не причудливо изгибающаяся кривая, как это имеет место в обычном усилителе, а «чистый» прямоугольный сигнал с постоянной частотой, равной частоте работы генератора пилообразного напряжения, и все время изменяющимся в такт со звуком соотношением длительности «включенного^ и «выключенного» состояний.

Говорить о коэффициенте нелинейных искажений непосредственно для самого выходного сигнала здесь просто бессмысленно (формально ведь сигнал искажен настолько, что вообще не похож на входной). Поэтому этот термин в усилителях класса D применяют к среднему значению выходного сигнала, либо просто судят о нем «на слух».

Выходной фильтр

Прежде чем начать изготовление усилителя класса D, следует сказать о его обязательной компоненте — выходном фильтре. Он должен:

♦ пропускать на выход усилителя «низкочастотную» составляющую сигнала;

♦ задерживать частоту работы генератора треугольного сигала (или «пилы») и всех ее гармоник.

Делать это нужно по двум причинам — во-первых, чтобы усилитель не излучал помехи в эфир, и, во-вторых, чтобы не разогревать магнитную систему динамических головок (напомним читателю — в промышленности токи высокой частоты используются для плавки и закалки металла).

Схема такого фильтра приведена на рис. 4.2, и именно ее нужно изготовить в первую очередь.

Рис. 4.2. Принципиальная схема выходного фильтра

Элементная база. Дроссель фильтра наматывается на ферритовом кольце М1000НМ К40х25х12 и содержит 2х160 витков провода МТГФ-0,12, расход провода — 2x7 м.

Намотку дросселя следует вести в два провода:

♦ начала обмоток подключаются в схему усилителя;

♦ концы обмоток подключаются к акустической системе.

Внимание.

Подключать к усилителю класса D акустические системы без этого фильтра крайне нежелательно.

И еще одно предостережение — если в усилитель класса D все-таки потребуется установить небольшие радиаторы, транзисторы на них обязательно устанавливайте через изолирующую прокладку: электрически соединенный с корпусом транзистора радиатор излучает в эфир до 10–15 % выходной мощности усилителя, а вы же все-таки не передатчик делаете!

Итак, первая схема нашего усилителя будет собрана… на микросхемах.

Усилитель класса D на микросхемах

Принципиальная схема. Резонный вопрос — «почему не на транзисторах», и традиционный ответ на него — очень плохая повторяемость транзисторных вариантов усилителей класса D. Схема усилителя класса D на микросхемах приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Принципиальная схема усилителя класса D на микросхемах

Генератор пилообразного напряжения собран на микросхеме таймера DA1. Для обеспечения линейности «пилы» здесь использован генератор тока, собранный на полевом транзисторе VT1.

Пилообразное напряжение с конденсатора С1 поступает на один вход компаратора DA2. На второй вход компаратора поступает звуковой сигнал. На выходе компаратора образуется готовый прямоугольный сигнал, который теперь нужно просто усилить. Этим занимается выходной каскад на транзисторах VT2—VT4.

Примечание.

Обращаю внимание читателя — в усилителях класса D обратных связей, как правило, не бывает.

Поясню почему:

♦ во-первых, «испортить» сигнал, имеющий всего два значения, — это нужно суметь (!);

♦ во-вторых, в силу абсолютной непохожести выходного сигнала усилителя на входной, требуются довольно серьезные схемно-технические усилия, чтобы выделить из выходного сигнала нужную для обеспечения обратной связи компоненту.

Для обеспечения малых искажений сигнала в усилителях класса D бывает достаточно выполнить два требования.

Требование 1. Пилообразное (или треугольное) напряжение должно быть максимально линейным. В этом случае обеспечивается максимальная линейность преобразования входного сигнала в выходной (именно по этой причине в схеме и применен генератор тока на транзисторе VT1 вместо обычного резистора).

Требование 2. Величина сигнала, поступающего на компаратор, должна быть как можно большей. Это относится и к пилообразному, и к звуковому сигналу. Причина — любой компаратор имеет некоторую погрешность сравнения (в районе единиц или десятков милливольт), поэтому, чем больше входной сигнал, тем в меньшей степени сказывается эта погрешность на точность преобразования сигнала.

Следствием второго требования является очень низкая чувствительность усилителя. Если для обычных усилителей «стандартной» чувствительностью является 100–250 мВ, то для нормальной работы нашего усилителя потребуется 1–1,5 В, а то и больше. Поэтому усилитель класса D требует наличия, как минимум, одного дополнительного каскада усиления.

Печатная плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 45x35 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 4», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Разводка печатной платы (45x35 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 4.5

.

Рис. 4.5. Схема расположения деталей

Внешний вид устройства приведен на рис. 4.6.

Рас. 4.6. Внешний вид усилителя класса D на микросхемах

Наладка. Настройка усилителя достаточно проста — нужно вместо динамической головки подсоединить к выходу лампу накаливания на напряжение не ниже напряжения питания усилителя, и, вращая резистор R3, добиться минимальной яркости ее свечения.

Примечание.

Собранный нами усилитель— это, скорее, игрушка, призванная продемонстрировать возможности усилителя класса D, поэтому по ней даже не снят ролик.

Дело в том, что биполярные транзисторы в выходных каскадах усилителя класса D ведут себя не лучшим образом — у них достаточно большое падение напряжения в открытом состоянии, и достаточно большое время перехода из открытого состояния в закрытое.

Гораздо лучше в выходных каскадах усилителей класса D ведут себя полевые транзисторы, специально спроектированные для работы в ключевом режиме.

Принципиальная схема. Схема такого варианта усилителя приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Принципиальная схема с выходным каскадом на полевом транзисторе

В ней пришлось применить одну импортную микросхему — драйвер полевых ключей IR2104 (аналогов ее наша отечественная промышленность не выпускает). Этот вариант усилителя ничем, кроме выходного каскада, не отличается от предыдущей схемы. Выходной каскад же собран по типовой схеме для микросхемы IR2104 и, в свою очередь, тоже никаких особенностей не имеет.

Печатная плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 50x35 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 4», файл 2.DXF) и посмотреть на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Разводка печатной платы (50x35 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Схема расположения деталей

Налаживание. Настройку усилителя выполняют так же, как это делалось в предыдущей схеме.

Радиаторы для усилителя. Во многих случаях усилитель класса D может обойтись без радиаторов. Если же они все-таки необходимы, расчет их ведется так же, как расчет радиаторов для обычных усилителей, но рассеиваемая мощность принимается равной не 25 % от выходной, а 5 % от выходной для частоты генератора до 80 кГц, и 10 % для частоты генератора более 80 кГц. Более точный расчет начинающему радиолюбителю выполнить будет трудно.

Внешний вид устройства приведен на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Внешний вид усилителя класса D с выходным каскадом на полевом транзисторе

Смотрим ролик. Работу усилителя демонстрирует ролик «Видеоурок 4» — > «Усилитель класса D на микросхемах» на прилагаемом диске.

Усилитель класса D на микроконтроллере

Принципиальная схема. Это почти невероятно, но это так! Конечно, в микроконтроллере нет ни генератора пилообразного напряжения, ни компаратора, но зато в нем есть аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и управляемый генератор, у которого можно изменять ширину импульса при неизменной частоте следования импульсов (ШИМ-генератор).

Схема этого усилителя приведена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Принципиальная схема усилителя класса D на микроконтроллере

Принцип работы усилителя достаточно прост:

♦ с помощью АЦП измеряется величина звукового сигнала на входе микроконтроллера;

♦ в соответствии с измеренной величиной устанавливается ширина импульсов генератора;

♦ цикл измерения и установки повторяется снова.

Сигнал с выхода генератора поступает на точно такой же выходной каскад, какой был применен во втором варианте усилителя класса D на микросхемах.

Печатная плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 47,5x25 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 4», файл 3.DXF) и посмотреть на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Разводка печатной платы (47,5x25 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Схема расположения деталей

Налаживание. Настройку усилителя выполняют в точности так же, как это делалось в предыдущей схеме. Программу для микроконтроллера (включая исходные тексты) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 4», раздел «SOFT»).

Внешний вид устройства приведен на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Внешний вид усилителя класса D на микроконтроллере

Смотрим ролик. Работу усилителя демонстрирует ролик: «Видеоурок 4» — > «Усилитель класса D на микроконтроллере» на прилагаемом диске.

Несмотря на весьма скромные возможности АЦП и ШИМ-генератора, звук, воспроизводимый этим «усилителем», сделает честь многим солидным аппаратам, продаваемым в магазинах.

Усилитель класса D на лампах

Да-да, представьте себе, усилители класса D существовали и в ламповом варианте (причем аж с 1955 года): воистину все новое — это хорошо забытое старое! Причина их появления — все то же желание повысить экономичность усилителя и снизить его габариты.

Принципиальная схема. Схема усилителя приведена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Принципиальная схема усилителя на лампах

Генератор пилообразного напряжения собран на пентоде ЛЗ. Это т. н. фантастронный генератор, по поводу заковыристого названия которого время от времени народ «отрывается» в Инете. Разбирать его работу мы не будем, поскольку она достаточно сложна.

Пилообразный сигнал подается на триггер Шмитта, собранный на двух половинках лампы Л5, на этот же вход подается сигнал от предварительного усилителя НЧ, собранного на пеноде Л4. С выхода триггера Шмитта противофазные сигнал поступают на управляющие сетки двухтактного выходного каскада на лампе Л4. Нагрузкой лампы Л4 является импульсный трансформатор, за которым через высокочастотный фильтр включен обычный двухтактный выходной трансформатор.

Примечание.

Следует сразу сказать, что примененный в схеме выходной каскад не может реально обеспечить достаточную выходную мощность усилителя, и использован здесь исключительно с демонстрационной целью.

Внешний вид устройства приведен на рис. 4.16.

Рис. 4.16. Внешний вид лампового усилителя класса D

Смотрим ролик. Работу усилителя демонстрирует ролик «Видеоурок 4» — > «Усилитель класса D на лампах» на прилагаемом диске.

Шаг 5

СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ИК

Как работает дистанционное управление

Дистанционное управление с применением инфракрасного света давно и прочно вошло в наш быт. Телевизоры, кондиционеры, вентиляторы, освещение — практически для всех видов бытовой техники существуют соответствующие пульты. Достоинства систем ДУ на ИК — простота схемы и достаточно высокая надежность. Дополнительный плюс — системы на ИК-лучах не «засоряют» эфир (попросту нечем)!

В подавляющем большинстве случаев для передачи сигнала ИК используется импульсно-кодовая модуляция, т. е. управляющий сигнал передается набором кодовых импульсов. Каждый импульс, в свою очередь, передается в виде посылки амплитудно-модулированного излучения определенной длительности.

Частота модуляции чаще всего равна 36 кГц, что позволяет при приеме «отсечь» паразитную засветку датчика ИК излучения другими частотами (особенно этим «грешат» лампы дневного света с электронным балластом). В настоящее время существуют очень простые в применении приемники ИК-излучения, выполняющие всю необходимую обработку сигнала, и выдающие на выход готовые импульсы. Поэтому сейчас системы ДУ на ИК — наиболее простые в схемно-техническом плане устройства. Первый вариант такого устройства мы сделаем… на микросхемах.

Система дистанционного управления по ИК на микросхемах

Принципиальная схема. Традиционный вопрос — почему не на транзисторах, и традиционный ответ — цифровая обработка сигнала на транзисторах достаточно капризна. Схема передающей части системы ДУ приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Принципиальная схема системы дистанционного управления по ИК

На элементах DD1.1, DD1.2 собран тактовый генератор, вырабатывающий кодовые импульсы. Импульсы эти поступают на вход счетчика DD2 (знакомого нам по «бегущим огням»), при этом на его выходе появляется сигнал «бегущей единицы». Со счетчиком соединен RS-триггер, выполненный на элементах DD3.1, DD3.3, причем сброс триггера всегда выполняется сигналом с выхода Q5, а установка — сигналом с выходов Q1—Q4 при нажатии соответствующей кнопки. Таким образом, триггер оказывается во включенном состоянии в пределах от одного до четырех тактовых импульсов.

Сигнал с выхода триггера поступает на элемент DD3.2, туда же поступает сигнал с тактового генератора. В результате на выходе этого элемента образуются пачки из одного, двух, трех либо четырех импульсов (в зависимости от нажатой кнопки). Эти пачки импульсов управляют включением генератора, вырабатывающего частоту 36 кГц, собранного на элементах DD1.3, DD1.4, DD3.4. Выход генератора нагружен на транзистор VT1, в коллектор которого включен инфракрасный светодиод.

Схема приемной части системы ДУ приведена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема приемной части системы ДУ

С выхода приемника сигнала DD1 импульсы поступают на счетчик D3 и на два одновибратора, собранных на элементах DD1.1—DD1.4. После приема пачки импульсов счетчик останавливается с лог. 1 на одном из выходов Q1—Q4.

Через некоторое время после окончания приема срабатывает одновибратор на элементах DD2.2,DD2.4, и по его сигналу состояние счетчика запоминается в регистр D4. На одном из выходов регистра при этом появляется сигнал лог. О, сбрасывающий или устанавливающий один из RS-триггеров, собранных на элементах DD5.1—DD5.4.

В зависимости от состояния триггеров одна из оптопар HL1, HL2 оказывается включенной или выключенной, включая или выключая соответствующий симистор, управляющий нагрузкой. Одновибратор на элементах DD1.1—DD1.3 срабатывает позже, и сбрасывает счетчик DD3 в исходное состояние.

Печатная плата. Передающая часть собрана на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 47x40 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 5», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Разводка печатной платы передающей части (47x40 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схема расположения деталей передающей части

Приемная часть собрана на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 52x55 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 5», файл 2.DXF) и посмотреть на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Разводка печатной платы (52x55 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Схема расположения деталей

Внешний вид устройства приведен на рис. 5.7, а и 5.7, б.

Рис. 5.7. Внешний вид системы ДУ, построенной на микросхемах:

а — передающая часть; б — приемная часть

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что его приемная часть не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу усилителя демонстрирует ролик «Видеоурок 5» — > «Система ИК ДУ на микросхемах» на прилагаемом диске.

Совет.

Перед началом работы необходимо переменным резистором R4 установить такую частоту генератора передающего устройства, чтобы при нажатии кнопок мигал светодиод HL1 приемника, а затем подстроить эту частоту по максимуму расстояния, на котором работает система ДУ.

Система дистанционного управления по ИК на микроконтроллере

Сразу хочется сказать — делать передающую часть для микроконтроллера мы не будем. Причина проста — в магазинах есть огромная номенклатура самых разных ПДУ. Все велосипеды давно сделаны!

Существует ряд общепринятых протоколов передачи данных в системах ДУ. В нашем примере для передачи сигналов выбран протокол фирмы Sony — он не самый распространенный, но один из наиболее простых.

Принципиальная схема. Схема приемника ДУ, построенного на микроконтроллере, приведена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Схема приемника ДУ, построенного на микроконтроллере

Сигнал с приемника сигнала DA1 поступает на вход микроконтроллера DD1, где обрабатывается в соответствии с программой.

На вход микроконтроллера поступает также сигнал о переходе сетевого напряжение через ноль (резистор R2). Благодаря этому удалось программно реализовать изменение яркости свечения ламп нагрузки. Управляющие сигналы с микроконтроллера поступают на оптопары HL1 и HL2, управляющие симисторами. Причина установки оптопар — сильные наводки при включении симисторов, вызывающие ложные срабатывания микроконтроллера, баз них устройство оказывается практически неработоспособным.

Каких-либо схемных изысков устройство не содержит, вся его функциональность реализована исключительно программным путем.

Печатная плата. Приемная часть собрана на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 41x27 мм. Разводку печатной платы в зеркальном изображении можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 5», файл 3.DXF), и посмотреть на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Разводка печатной платы (41x27 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Схема расположения деталей

Налаживание. Каких-либо настроек устройство не требует. Программу для микроконтроллера (включая исходные тексты) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 5», раздел «SOFT»).

Внешний вид устройства приведен на рис. 5.11

Рис. 5.11. Внешний вид системы ДУ, построенной на микроконтроллере

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду что его приемная часть не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности.

Смотрим ролик. Работу усилителя демонстрирует ролик «Видеоурок 5» — > «Система ИК ДУ на микроконтроллере» на прилагаемом диске.

Шаг 6

СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Как передавать сигналы управления по осветительной сети

Система дистанционного управления по осветительной сети — решение не новое, но широко внедряться в повседневную жизнь начало сравнительно недавно. До того времени линии электропередач активно использовались для передачи телеметрической информации между удаленными подстанциями — в самом деле, зачем прокладывать отдельные линии связи, когда все подстанции и так соединены воедино силовой электрической сетью.

Проблема передачи сигналов по электрической сети в основном заключается в сложности приемно-передающего оборудования, но с появлением соответствующих микросхем и микроконтроллеров эта проблема заметно утратила свою актуальность.

Как правило, дистанционное управления по осветительной сети осуществляется в пределах одного дома (т. н. «умный дом»). Существует даже специальный протокол передачи данных, называемый Х10 (описание протокола можно посмотреть на http://software.x10.com/pub/manuals/xtdcode.pdf).

Этот протокол обеспечивает передачу команд по осветительной сети. Под Х10 выпускаются специализированные микросхемы для его поддержки (например, отечественная КР1446ХК1, капризная как барышня).

Однако радиолюбителю вполне под силу собрать устройство дистанционного управления, не привязываясь именно к данному конкретному протоколу.

Сигналы управления передаются по осветительной сети примерно так же, как передается радиосигнал в эфире. Для передачи сигнала используются частоты в диапазоне 80—150 кГц.

Примечание.

Радиолюбителям следует использовать верхнюю часть этого диапазона— частоты ниже 100 кГц зарезервированы для использования служебными телеметрическими системами.

Как правило, для передачи используется частотная модуляция сигнала (она является значительно более помехоустойчивой по сравнению с амплитудной модуляцией), но ничто не мешает использовать для передачи и любые другие виды модуляции.

Первый вариант системы ДУ по осветительной сети будет собран… на транзисторах.

Система дистанционного управления по осветительной сети на транзисторах.

Принципиальная схема. Передающая часть системы (рис. 6.1, а) представляет собой обычный мультивибратор на транзисторах Т3, Т4.

Частота генерации мультивибратора — около 100 кГц, и может подстраиваться в некоторых пределах резистором Р5. Выход мультивибратора подсоединен к двухтактному усилителю на транзисторах T1, Т2, нагрузкой которого является высокочастотный трансформатор Tr1. Вторичная обмотка трансформатора включена в сеть последовательно с нашим устройством — этим мы экономим один разделительный конденсатор.

Приемная часть системы (рис. 6.1, б) представляет собой обычный рефлексный приемник прямого усиления на одном транзисторе.

Рис. 6.1. Система ДУ по осветительной сети, выполненная на транзисторах:

а — схема передающей части; б—схема приемной части

Сигнал с входного трансформатора Tr1 поступает на транзистор Т1 и усиливается.

В коллекторной цепи транзистора находится контур L1,C6, настроенный на частоту передатчика. Сигнал с него поступает на детектор VD1,VD4, а постоянное напряжение с выхода детектора вновь поступает на транзистор Т1, увеличивая его коллекторный ток. Это увеличение вызывает срабатывание оптосимистора HL1, и нагрузка включается.

Печатная плата. Передающая часть устройства собрана на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 41,25x42,5 мм, приемная — на плате размерами 31,25x37,5 мм.

Разводку обоих печатных плат (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 6», файл 1.DXF), и посмотреть на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Разводка печатных плат (41,25x42,5 мм и 31,25x37,5 мм, в зеркальном изображении)

Схемы расположения деталей приведены на рис. 6.3, а, б

Рис. 6.3. Схема расположения деталей:

а — передающей части; б—приемной части

Элементная база. Трансформаторы передатчика и приемника намотаны на кольцах, М2000НМ К28х16х9. Параметры обмоток трансформаторов приведены в табл. 6.1.

Совет.

Перед намоткой на торцы кольца следует приклеить бумажные шайбы чуть шире самого кольца, чтобы защитить изоляцию провода от острых краев кольца, а затем покрыть кольцо цапонлаком.

Внешний вид приемной и передающей части представлен на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Внешний вид приемной и передающей части

Наладка. Наладка устройства заключается в установке частоты передатчика таким образом, чтобы обеспечить четкое срабатывание приемной части.

Внимание.

При изготовлении этого устройства следует иметь в виду, что оно не имеет гальванической развязки от сети! Поэтому при его наладке следует особенно внимательно соблюдать правила техники безопасности. На роликах это не очень видно, но автор питает все описанные здесь конструкции через разделительный трансформатор.

Смотрим ролик. Работу усилителя представляет ролик: «Видеоурок 6» — > «Система ДУ на транзисторах» на прилагаемом диске.

Совет.

Хочется также добавить, что подключение нагрузки напрямую к оптопаре, как это сделано на демонстрационных роликах, может очень быстро вывести ее из строя. Поэтому выход устройства следует использовать не для прямого подключения нагрузки, а для управления мощным симистором.

Система дистанционного управления по осветительной сети на микросхемах

Принципиальная схема. Передающая часть системы (рис. 6.5, а) собрана на микросхеме таймера DA1, на выход которого включен составной эмиттерный повторитель, нагруженный через конденсатор на осветительную сеть. Микросхема таймера включена в типовом варианте.

Приемная часть системы (рис. 6.5, б) собрана на микросхеме К157ХА2, используемой в трактах УПЧ приемников.

Рис. 6.5. Система ДУ по осветительной сети, выполненная на микросхемах:

а — схема передающей части; б — схема приемной части

Примечание.

По современным меркам эта микросхема «старовата», но для наших целей подходит как нельзя лучше, поскольку содержит УПЧ, амплитудный детектор и систему АРУ, т. е. все компоненты, которые нам потребуются для реализации устройства.

По сути дела, это приемник прямого усиления с входным контуром L1, С1, настроенный на частоту передающего устройства. Схема включения этой микросхемы — типовая, но в качестве сигнала с нее снимается не НЧ-сигнал, а выходное напряжение усилителя АРУ. Оно будет соответствовать наличию/отсутствию сигнала управления на входе приемника. Нагрузка усилителя АРУ — такая же оптопара, как и в предыдущем варианте системы ДУ.

Печатная плата. Передающая часть собрана на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 42,5x41,5 мм, приемная — на плате размерами 42,5x35 мм. Разводку обеих печатных плат (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 6», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Разводка печатных плат (42,5x41,5 мм и 42,5x35 мм, в зеркальном изображении)

Схемы расположения деталей приведены на рис. 6.7, а, б.

Рис. 6.7. Схема расположения деталей:

а — передающей части; б—приемной части

Внешний вид приемной и передающей части представлен на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Внешний вид приемной и передающей части

Наладка этого устройства — в точности такая же, как предыдущего.

Внимание.

Замечания насчет техники безопасности и нагрузки оптопары, сделанные в отношении предыдущего устройства, также остаются в силе и для этой конструкции.

Смотрим ролик. Работу усилителя представляет ролик: «Видеоурок 6» —» «Система ДУ на микросхемах» на прилагаемом диске.

Система дистанционного управления по осветительной сети на лампах

Принципиальная схема. В отличие от систем ДУ на ИК-лучах, собрать системы ДУ для осветительной сети на лампах достаточно несложно.

Передающая часть (рис. 6.9, а) представляет собой двухтактный автогенератор (такие схемы в свое время применялись в генераторах стирания в ламповых магнитофонах), выход которого нагружен на осветительную сеть.

Схема его похожа на схему источника питания, который мы будем разбирать на следующем шаге. Конденсатор С5 служит для облегчения запуска генератора.

Приемная часть (рис. 6.9, б) состоит из регенеративного усилителя высокой частоты, амплитудного детектора и исполнительного элемента.

Рис. 6.9. Система ДУ по осветительной сети, выполненная на лампах:

а — схема передающей части; б — схема приемной части

Регенеративный УВЧ собран на лампе Л1 на основе моста Вина-Робинсона (обычно его называют просто мост Вина). В отличие от других схем работа регенератора на мосте Вина отличается гораздо большей стабильностью, а, кроме того, не требует применения переменного конденсатора для перестройки.

Детектор собран по обычной схеме удвоения напряжения. С выхода детектора сигнал подается на управляющую сетку тиратрона Л2, являющегося ламповым аналогом тиристора, который и включает нагрузку.

Примечание.

Надо честно сказать, что автор немного сжульничал — в схеме все-таки есть один транзистор (Т1), но его легко заменить ламповым катодным повторителем, просто такая замена заметно усложнила бы конструкцию.

Внешний вид устройства приведен на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Внешний вид системы ДУ на лампах

Смотрим ролик. Работу устройства представляет ролик: «Видеоурок 6» — > «Система ДУ на лампах» на прилагаемом диске.

Шаг 7

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Разновидности преобразователей

Преобразователи напряжений — одни из самых распространенных радиотехнических устройств. Они используются в качестве источников питания других устройств и имеют самые различные выходные напряжения и мощности.

По видам преобразователей напряжения различаются: преобразователи постоянного (DC) и переменного (АС) напряжений.

По соотношению входного и выходного напряжения различаются: повышающие (Step-Up) или понижающие (Step-Down) преобразователи.

Помимо собственно преобразования напряжений эти устройства могут реализовывать и дополнительные функции (например, защиту питаемого устройства от пропадания питающего напряжения — такие устройства называются источниками бесперебойного питания или UPS).

Способы преобразования одного постоянного напряжения в другое

Преобразование одного постоянного напряжения в другое, в зависимости от их соотношения, можно сделать одним из двух способов:

♦ в случае понижения (например, с 220 В до 12 В) можно погасить излишек напряжения на регулирующем элементе.

♦ более универсальный способ — превратить каким-либо образом постоянное напряжение в переменное, произвести нужное преобразование переменных напряжений (например, из 12 В в 220 В) с помощью хорошо известного устройства — трансформатора, — а затем полученное переменное напряжение выпрямить, превратив таким образом в постоянное.

В большинстве случаев в преобразователях напряжений используют именно второй способ — первый может выполнять только понижение напряжения, не обеспечивает гальванической развязки напряжений и при большом различии входного и выходного напряжений отличается чудовищно низким КПД. Однако это не означает, что первый способ вообще не используется, — просто ему надо знать время и место!

Функциональная схема преобразователя напряжений приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Функциональная схема преобразователя напряжений

Она состоит из мощного генератора переменного напряжения (I), трансформатора (II), выполняющего нужные преобразования напряжений, и мощного выпрямителя (III). Кроме указанных компонент, в преобразователе часто присутствует дополнительный элемент — устройство управления (обеспечивает преобразователь дополнительными функциями, например, токовой защитой или плавным включением).

Причины потери мощности

Идеальный преобразователь должен выполнять преобразование напряжений без потерь мощности, поскольку это — совершенно ненужные затраты, снижающие КПД. Естественно, в реальной жизни такого не бывает, и потери мощности при преобразовании неизбежны.

Причин потери мощности несколько.

Причина 1. Из соображений минимизации размеров трансформатора преобразование напряжений выполняют на повышенной частоте. Если силовой трансформатор мощностью 1 кВт, работающий на частоте 50 Гц, по весу и размерам вполне может сойти за двухпудовую гирю, то такой же трансформатор для частоты 100 кГц легко помещается на ладони.

Однако на таких высоких частотах резко возрастают потери в железе и меди трансформатора. Особенно в железе — в промышленности, например, токи частот 60–70 кГц используются для нагрева металла перед закалкой (т. е. до 700–800 градусов). Все это вынуждает:

♦ применять специальные материалы (ферриты), которые способны работать на столь высоких частотах с приемлемыми потерями мощности;

♦ обмотки выполнять многожильным проводом или несколькими скрученными проводами, чтобы снизить т. н. скин-эффект (он заключается в «выдавливании» высокочастотных токов из глубины проводника на его поверхность, в результате чего внутренняя часть проводника перестает участвовать в передаче тока, а это напрасный расход весьма дорогой меди).

Причина 2. Для того чтобы обеспечить минимальные потери мощности в инверторе, преобразование частоты выполняется не с помощью синусоидального переменного напряжения, а с помощью напряжения, имеющего прямоугольную форму.

В этом случае выходные ключи преобразователя работают в ключевом режиме (аналогично усилителям класса D), т. е. они либо полностью открыты (и тогда протекающий через них ток вызывает минимально возможные потери мощности), либо полностью закрыты (и тогда, естественно, вообще не вносят никаких потерь).

Проблема здесь заключается в том, что ни один силовой ключ не в состоянии мгновенно перейти из одного состояния в другое — он неизбежно проходит при этом стадию т. н. активного режима, в котором он больше всего похож на основательно подгоревший контакт. Именно в моменты перехода из одного состояния в другое на силовых ключах и происходит львиная доля всех потерь мощности.

Сократить потери при переходе ключей из одного состояния в другое — задача весьма непростая, и решается она как выбором быстродействующих ключей, так и схемно-техническими средствами (сокращением времени переключения ключей и уменьшением тока, протекающего через ключ в момент переключения).

Причина 3. по аналогичной причине — невозможности мгновенно открыться или закрыться, — происходят потери мощности на диодах выпрямителя. Здесь также задача снижения потерь мощности решается выбором диодов и схемно-техническими средствами.

Особенности схемотехники преобразователей

Схемотехника преобразователей напряжения отличается большим разнообразием, однако ее можно разбить на несколько групп. Первое, самое очевидное, деление — преобразователи бывают однотактные и двухтактные. Легко догадаться, что эти группы отличаются количеством силовых ключей в схеме.

Однотактные преобразователи (рис. 7.2) содержат всего один силовой ключ, всего один выпрямительный диод, отличаются более простой схемотехникой, и практически всегда используются в источниках пихания сравнительно небольшой мощности.

Главный недостаток однотактных преобразователей — они работают при сильном подмагничивании магнитопровода трансформатора, поэтому далеко не всякий трансформатор будет пригоден для работы в однотактной схеме. По этой же причине достаточно сложно изготовить однотактный преобразователь на большие мощности.

Однотактные преобразователи, в свою очередь, делятся на две группы:

♦ прямоходовые (рис. 7.2, а), в которых передача энергии из источника в нагрузку происходит в тот момент, когда силовой ключ открыт.

♦ обратноходовые (fly-back, рис. 7.2, б), в которых передача энергии из источника в нагрузку происходит тогда, когда силовой ключ заперт.

Рис. 7.2. Принципиальные схемы однотактных преобразователей:

а — прямоходовой, б — обратноходовой

Примечание.

Такое возможно потому, что в то время, когда силовой ключ открыт, энергия для передачи в нагрузку запасается в виде магнитного поля в магнитопроводе трансформатора, а при закрытом ключе уже эта запасенная энергия передается в нагрузку.

Схемотехнически эти две группы отличаются только полярностью включения выпрямительного диода и алгоритмом управления силовым ключом. Современные однотактные преобразователи по большей части являются обратноходовыми, в том числе и потому, что трансформатор для них проще в изготовлении и содержит меньшее число витков.

Двухтактные преобразователи напряжения (рис. 7.3) содержат вдвое большее число силовых ключей, вдвое большее число выпрямительных диодов, но зато практически не ограничены в выходной мощности.

Схемотехнически двухтактные преобразователи также можно разделить на две группы:

♦ схема со «средней точкой» (рис. 7.3, а)

♦ полумостовая (рис. 7.3, б) и мостовая (рис. 7.3, в) схема.

Рис. 7.3. Принципиальные схемы двухтактных преобразователей:

а — схема со «средней точкой»; б — полумостовая схема; в — мостовая схема

Первая группа фактически представляет собой два «рядом стоящих» прямоходовых однотактных преобразователя, работающих в противофазе.

Примечание.

Двухтактных обратноходовых преобразователей не бывает, потому что такой режим требует применения управляемых особым образом ключей вместо выпрямительных диодов (впрочем, с появлением т. н. синхронных выпрямителей не исключено, что двухтактный обратноходовый преобразователь, наконец, появится).

Вторая группа очень похожа на двухтактные выходные каскады УНЧ. В двухтактных преобразователях подмагничивание трансформатора отсутствует (или, во всяком случае, не является неизбежной характеристикой схемы). Это существенно упрощает изготовление трансформатора (в частности, позволяет применять для трансформаторов кольцевые магнитопроводы без каких-либо ограничений).

Схемы со средней точкой в основном применяются при низких входных напряжениях, мосты и полумосты — при высоких.

Причины такого разделения более экономические, нежели технические — при низких напряжениях первичная обмотка трансформатора полумоста содержит вдвое меньше витков, чем у моста, и вчетверо меньше, чем у схемы со средней точкой.

Изготовить же обмотку с числом витков, меньшим трех, как ни странно, весьма затруднительно — малейшие неточности ее изготовления слишком сильно влияют на напряжения вторичных обмоток, особенно если они высоковольтные.

При высоких напряжениях, наоборот, меньшее число витков удешевляет стоимость трансформатора.

Примечание.

Дополнительный плюс мостовых и полумостовых схем, несмотря на более сложное устройство управления, в том, что они лишены «фирменной» проблемы всех однотактных преобразователей и преобразователей со средней точкой — всплесков перенапряжения на обмотке трансформатора при закрытии ключа.

Эти всплески в мостах и полумостах эффективно гасятся демпферными диодами силовых ключей, «отправляясь» обратно в источник первичного напряжения. В однотактных же схемах и в схеме со средней точкой для борьбы с этими всплесками приходится:

♦ применять специальные гасящие цепочки-снабберы, которые снижают КПД устройства и зачастую имеют немалые габариты, что особенно заметно на преобразователях небольшой мощности;

♦ усиливать изоляцию обмоток трансформатора, что сказывается на его стоимости далеко не в лучшую сторону.

Примечание.

Самые мощные преобразователи обычно собирают по схеме двухтактного моста.

На этом шаге мы попробуем с вами, уважаемый читатель, изготовить повышающий преобразователь постоянного напряжения 12 В (это напряжение называется входным или первичным) в постоянное напряжение 220 В (это напряжение будет, соответственно, выходным или вторичным).

Если пользоваться вновь введенными обозначениями, его можно назвать DC-DC Step-Up 12/220 В преобразователем.

Первый преобразователь, который мы сделаем, будет собран… на транзисторах.

Преобразователь напряжения на транзисторах

Принципиальная схема. Схема транзисторного преобразователя приведена на рис. 7.4. Это — двухтактный автогенератор со «средней точкой» (однотактные генераторы в повышающих преобразователях применяются нечасто — в основном в очень высоковольтных или очень маломощных).

Рис. 7.4. Схема транзисторного преобразователя напряжения

Для обеспечения генерации в системе должна присутствовать положительная обратная связь. В этой схеме она обеспечивается обмоткой II трансформатора. Обмотка I — обмотка первичного напряжения, обмотка III — соответственно, вторичного.

Транзисторы Т2 и ТЗ служат для защиты выходных транзисторов от перегрузки. В силу простоты схемы такого вида были весьма популярны на заре преобразователей напряжения, однако эта схема — не самая экономичная, и на ее работу очень заметное влияние оказывает характер нагрузки.

Примечание.

Именно по этой причине (с целью ограничения тока заряда конденсатора С1) в схеме присутствует позистор R6 — без него схема может просто не «завестись».

Печатная плата. Устройство собрано на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 60x62,5 мм. Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 7», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Разводка печатной платы (60x62,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема расположения деталей на плате

Элементная база. Трансформатор преобразователя намотан на кольце М2000НМ К45х28х12. Параметры обмоток трансформатора приведены в табл. 7.1.

Перед намоткой на торцы кольца следует приклеить бумажные шайбы чуть шире самого кольца, чтобы защитить изоляцию провода от острых краев кольца, а затем покрыть кольцо цапонлаком. Транзисторы Т1 и Т4 установлены на радиаторах площадью около 200 см^2.

Налаживание. Если преобразователь при подаче питания не заработает, необходимо поменять местами выводы обмотки II трансформатора.

Внешний вид преобразователя представлен на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Внешний вид преобразователя

Смотрим ролик. Работу преобразователя представляет ролик: «Видеоурок 7» — > «Преобразователь на транзисторах» на прилагаемом диске.

Преобразователь напряжения на микросхемах

Принципиальная схема. Схема преобразователя на микросхемах приведена на рис. 7.8. Это — также двухтактный преобразователь со средней точкой, но вместо биполярных в нем применены полевые ключи.

Рис. 7.8. Схема преобразователя напряжения на микросхемах

Для низковольтных преобразователей применение полевых транзисторов, в настоящее время — наиболее удачное решение, поскольку они обладают минимальным уровнем потерь мощности (в том числе и мощности на управление).

Управляются транзисторы с помощью микросхемы DA1. Выходные сигналы микросхемы подаются на эмиттерные повторители на транзисторах Т2, ТЗ и Т5, Т6.

Примечание.

Это необходимо по причине того, что затвор полевого транзистора обладает довольно значительной емкостью и на высоких частотах весьма заметно нагружает устройство управления.

Эта лишняя нагрузка приводит к «затягиванию» управляющих импульсов, и, как следствие, к расширению зоны активного режима, в которой потери на ключе максимальны. Защита от перегрузок транзисторов по току встроена в микросхему, сигнал защиты снимается с резистора R3. Выпрямитель аналогичен выпрямителю, примененному в предыдущей конструкции.

Печатная плата. Устройство собрано на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 66,25x42,5 мм. Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 7», файл 2.DXF), и посмотреть на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Разводка печатной платы (66,25x42,5 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Схема расположения деталей на плате

Элементная база. Трансформатор преобразователя намотан на кольце М2000НМ К28х16х9. Параметры обмоток трансформатора приведены в табл. 7.2.

Перед намоткой на торцы кольца следует приклеить бумажные шайбы чуть шире самого кольца, чтобы защитить изоляцию провода от острых краев кольца, а затем покрыть кольцо цапонлаком. Транзисторы Т1 и Т4 установлены на радиаторах площадью около 50 см^2.

Налаживание. Какой-либо наладки преобразователь не требует.

Внешний вид преобразователя представлен на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Внешний вид преобразователя

Смотрим ролик. Работу преобразователя представляет ролик: «Видеоурок 7» —» «Преобразователь на микросхемах» на прилагаемом диске.

Как рассчитать трансформатор для преобразователя. Расчет трансформатора не слишком сложен, но достаточно трудоемок. Автор рекомендовал бы, в первую очередь, скачать готовую программу для расчета. Очень удачна, на взгляд автора, программа Е. Москатова. Найти ее можно по адресу http://www.moskatov.narod.ru/Programs.html. Если же Вас интересуют непосредственно расчетные формулы, стоит заглянуть на http://k155la3.ucoz.ru/index/raschet_transformatora_impulsnogo_bloka_pitanija/0-93 — там приведен пример расчета.

Преобразователь напряжения на электромагнитных реле

Принципиальная схема. Схема преобразователя на электромагнитном реле представлена на рис. 7.12. Этот преобразователь до смешного прост.

Рис. 7.12. Принципиальная схема преобразователя на электромагнитном реле

При включении преобразователя ток обмотке реле возрастает до тех пор, пока реле не сработает. При срабатывании оно размыкает свои собственные контакты, и ток в обмотке прерывается. Затем, через некоторое время реле отпустит свой якорь, и ток через обмотку снова возобновится. В результате в обмотке трансформатора возникает пульсирующий ток — дальнейшее, думается, понятно.

Внешний вид преобразователя представлен на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Внешний вид преобразователя

Смотрим ролик. Работу преобразователя представляет ролик: «Видеоурок 7» — > «Преобразователь на реле» на прилагаемом диске.

Вывод.

Если не считать постоянно подгорающих контактов и невысокой частоты преобразования, схема может считаться идеальной по простоте. В реальной жизни в подобных схемах применялись специальные вибропреобразователи, которые не приходили в негодности за полчаса из-за разрушения контактов, как это обязательно произойдет с нашим реле.

РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ КУХНЯ

Заглянем на кухню…

Уф-ф! Мы с Вами, уважаемый читатель, одолели уже целых семь шагов в неизведанный мир электроники, и теперь, пожалуй, можем немного передохнуть. А где лучше всего можно передохнуть после тяжелого пути? Ну, конечно же, на кухне!

Радиолюбительская кухня — это совершенно особое место, где обдумываются и создаются новые конструкции. Не обязательно это будет нечто науке неизвестное — это может быть и какое-нибудь простое устройство, которое либо просто лень, либо жалко покупать, например те же «бегущие огни».

Это может быть какой-нибудь нужный для самого радиолюбителя прибор, например, осциллограф. Это может быть простенький электронный звонок, зарядное устройство для аккумуляторов — все что угодно, что покажется радиолюбителю нужным или интересным. Это может быть даже что-то, что попросит его сделать какой-нибудь давний знакомый. У этого «что-то» должно быть только два отличительных признака:

♦ его, во-первых, интересно было бы сделать самому;

♦ во-вторых, радиолюбитель должен быть интуитивно уверен, что он «осилит» его изготовление.

Конечно, первое, что сделает любой радиолюбитель — поищет что-нибудь готовое. В журналах, книгах и Интернете существует масса самых разнообразных схем почти на все случаи жизни, и чаще всего именно на этом все творчество и заканчивается. Тем не менее, вполне может случиться, что как раз того, чего хочется, найти не удастся. И тогда, немного покряхтев, радиолюбитель садится и начинает придумывать будущую конструкцию с «чистого листа».

В конце концов, откуда в Интернете берется та или иная схема? Не самозарождается же она, в конце концов! Чем мы, в конце концов-то, хуже! И воодушевленный этими соображениями, радиолюбитель приступает к работе. А мы с Вами, уважаемый читатель, тихонько встанем за спиной у этого творца, и посмотрим, как происходит таинство рождения.

Первые шаги

Итак, наша задача — разработать импульсный блок питания для ламповых усилителей. Поиск по книгам и журналам результата не дал — подавляющее большинство книг о лампах написано тогда, когда импульсных блоков питания еще никто не делал, а подавляющее большинство книг об импульсных блоках питания написаны тогда, когда лампы уже отошли от дел.

В этих «ваших Интернетах» дела обстоят не лучше, ибо импульсные блоки питания — объект священных войн всяких ламповиков-аудиофилов, потому что они, видите ли, оскверняют (sic!) звук (они, в данном случае, — блоки питания, а не аудиофилы). Ловить в этой мутной воде нечего, кроме, разве что, очередного тролля. Так что первое, что нам нужно сделать, — определиться в параметрами блока питания.

Лампы, как известно, требуют для своей работы как минимум два источника напряжения — напряжения накала (обычно 6,3 В) при очень больших токах, и анодного напряжения (несколько десятков, а чаще — сотен вольт) при токах, обычно не превышающих полампера.

Примечание.

Чтобы задача не выглядела столь простой, давайте немного усложним ее — блок питания должен иметь такие габариты, чтобы его можно было легко установить внутрь шасси лампового усилителя.

Соображения просты — если блок питания будет иметь габариты, скажем, компьютерного блока питания, то они практически ничем не отличаются от габаритов обычного, «железного» силового трансформатора, испокон веков устанавливающегося в ламповые усилители. Конечно, весить устройство будет намного меньше, но размеры-то останутся! Для чего тогда было копья ломать?

Для начала определимся с параметрами, в первую очередь, с мощностью. Для этого нужно провести простейший расчет. Допустим, что мы собираемся питать от этого блока ламповый стереоусилитель выходной мощностью 2x25 Вт. Если этот усилитель сделан по двухтактной схеме, то общую мощность (2х25) = 50 Вт нужно умножить на 1,25, а если по однотактной — то увеличить вдвое. Это будет мощность, потребляемая усилителем по анодной цепи.

Выберем первый вариант (двухтактный усилитель), и получим в результате 62,5 Вт. Добавим теперь мощность, потребляемую цепями накала. Предположим для этого, что выходной каскад собран на лампах 6П14П, как это частенько бывает. Их номинальный ток накала — 0,75 А. Умножаем его на четыре (количество выходных ламп), и получаем общий ток потребления 3 ампера. Осталось умножить его на 6,3 В — и мы получим мощность накала (примерно 19 Вт). Итого 62,5 + 19 = 80 Вт, которую теперь можно смело округлить до 100 Вт — ведь мы не учли еще массу мелких потребителей энергии.

Дальнейшее совсем просто — типовое анодное напряжение для ламп 6П14П — 250 В. В результате этих простейших прикидочных расчетов мы уже можем внятно сформулировать технические требования к будущему блоку питания:

♦ мощность — до 100 Вт;

♦ напряжение накала — 6,3 В с током до 4 А (3 + непредвиденные расходы);

♦ анодное напряжение — 250 В с током до 0,3 А ((100 Вт — 6,3 В х 4 А)/250 В).

Какой трансформатор мотать

Первое, с чем необходимо определиться, — трансформатор блока питания. Мы потребовали, чтобы блок питания можно было бы размещать внутри шасси усилителя.

Примечание.

Но помните, что шасси усилителя — это очень уязвимое место в плане помех.

Наш блок питания, ни в коем случае, не должен воздействовать на остальные элементы схемы усилителя, а возможностей у него, к великому сожалению, даже слишком много. И первая из них — магнитные поля.

Уместно в связи с этим вспомнить принцип работы электронной лампы. Мы ведь все его хорошо помним — электроны из нагретого катода под действием электрического поля летят к аноду. Но на электроны воздействует не только электрическое, но и магнитное поле! Если трансформатор блока питания, не дай Бог, окажется вблизи входной лампы (а это может быть, в том числе, и потому, что ни в какое другое место нам блок питания пристроить не удалось), то наводка на входную лампу нам гарантирована. Спасти от нее может, разве что, железный экран.

Примечание.

Поэтому трансформатор нашего блока питания либо должен быть полностью экранирован, либо иметь минимальные наводки.

Все это однозначно предопределяет конструкцию трансформатора — он должен быть намотан на кольце, потому что кольцо имеет самые низкие поля рассеяния.

Теперь необходимо рассчитать параметры трансформатора. Ссылки на формулы и программу расчета у нас были на шаге 7.

Воспользовавшись ими (в предположении, что источник питания будет собран по полумостовой схеме), получим следующий результат:

♦ магнитопровод— М2000НМ К28х16х9, частота преобразования 80 кГц;

♦ первичная обмотка — 71 виток, диаметр провода 0,5 мм;

♦ анодная обмотка — 116 витков, диаметр провода 0,35 мм;

♦ накальная обмотка — 3 витка, диаметр провода 1,2 мм.

И вот тут настало время задуматься. Накальная обмотка имеет всего три витка. Однако, в этом есть доля лукавства — если мы «обратным счетом» вычислим напряжение на ней, оно будет равно не 6,3, а 6,6 В.

Конечно, можно сделать эту обмотку поменьше, чтобы он давала точно 6,3 В. Берем калькулятор, быстренько вычисляем 3х6,3/6,6 и обнаруживаем, что обмотка должна содержать 2,86 витка. А теперь попробуйте себе представить, как выглядит обмотка, содержащая 2,86 витка? Удалось? Мне — нет!

Покатился снежный ком!

Ну вот, приехали. Каким образом мы собираемся мотать обмотку с точностью до сотых долей витка? Видимо, у нас есть три возможности:

♦ поиграться с высоковольтной обмоткой. На «высокой» стороне обмотка содержит аж 71 виток, там плюс-минус пара витков ничего радикально не изменит, а на «низкой» стороне мы получим то, что нам необходимо;

♦ намотать заведомо большее число витков, а излишек напряжения каким-либо образом погасить;

♦ сделать стабилизированный блок питания.

Первый путь больше похож на самообман. Да, мы можем отрегулировать число витков первичной обмотки, но как убедиться в том, что низковольтная обмотка содержит ровно три витка? Ведь достаточно при монтаже трансформатора просто посильнее прижать к нему выводы обмотки (добавив тем самым сотые доли витка) — и, пожалуйста, — проблема вновь всплыла!

Второй путь не совсем понятен. Мы можем погасить излишек напряжения, например, с помощью резистора. Но его нужно будет каждый раз пересчитывать под конкретные параметры того или иного усилителя. Даже простая замена лампы потребует такого пересчета.

Можно вместо резистора поставить какой-либо стабилизатор напряжения, но стабилизаторы напряжения не работают от переменного тока. Значит, необходим мощный выпрямитель напряжения накала, фильтр и прочие удовольствия. Нет, этот путь отпадает.

Стабилизированный источник питания — вот что нам требуется!

Для этого увеличим число витков всех вторичных обмоток, чтобы создать запас по напряжению для ШИМ: накальную обмотку — до четырех витков вместо трех, анодную — до 116х4/3 = 155 витков. Хм… И сколько же теперь у нас будет анодного напряжения?

Берем калькулятор, вычисляем 250х156/116 = 336 В!

Замечательно… И это притом, что максимально допустимое напряжение на аноде 6П14П всего 300 вольт. Но ведь в нашем источнике питания будет ШИМ, он все это срежет — ответит навскидку любой радиолюбитель. И, увы, окажется неправ.

Рассмотрим простейшую схему RC-фильтра (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема RC-фильтра

Выход генератора прямоугольных импульсов через резистор (им может служить внутреннее сопротивление генератора) подключен к конденсатору. Среднее напряжение на конденсаторе зависит от соотношения длительностей импульса генератора к периода их следования.

Можно покрутить ручки генератора и убедиться — среднее напряжение на конденсаторе будет «следить» за вашим манипуляциями. Теория блестяще подтверждается. Беда здесь лишь в том, что в блоке питания ничего похожего на нашу схему нет! В блоке питания (рис. 8.2) цепи заряда и цепи разряда конденсатора разделены!

Рис. 8.2. Реальная схема фильтра в блоке питания

И если в этой схеме разорвать контакт S1, то какими бы короткими не были импульсы со стороны источника питания, рано или поздно конденсатор обязательно зарядится до максимально возможного напряжения, потому что накопленную энергию ему просто некуда девать! А ведь именно эта ситуация и имеет место при включении лампового усилителя: лампы холодные, прогреются еще нескоро, поэтому потребления тока по анодной цепи практически нет. Где здесь выход?

Выход подсказывает здравый смысл — поскольку такая ситуация будет иметь место только при включении усилителя и прогреве ламп, нужно подавать анодное напряжение на лампы не сразу, а только после прогрева нитей накала. Более того, такой режим питания ламп считается более благоприятным, чем одновременная подача анодного и накального напряжения. В некоторых ламповых устройствах тех далеких времен даже устанавливались два выключателя питания — «сеть» и «анод», и второй нужно было включать только после прогрева ламп.

Первая функциональная схема

Итак, первый, самый предварительный вариант функциональной схемы будущего блока питания (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Предварительная функциональная схема блока питания

Несколько очевидных пояснений:

♦ входной фильтр (I) нужен для того, чтобы защитить как наш блок питания от помех по сети, так и сеть от помех, создаваемых нашим блоком питания;

♦ выпрямитель (II) нужен для того, чтобы преобразовать переменное напряжение сети в постоянное;

♦ импульсный (III) конвертор нужен для преобразования постоянное напряжение сети в высокочастотное переменное;

♦ трансформатор (IV) нужен для получения необходимых выходных напряжений;

♦ выпрямитель вторичного напряжения (V) нужен для получения постоянного анодного напряжения;

♦ реле времени (VI) нужно для задержки подачи анодного напряжения на усилитель;

♦ выпрямитель низкого напряжения (VII) нужен для питания реле времени и организации обратной связи по напряжению, необходимой для стабилизации напряжения накала.

Первая принципиальная схема

Для того, чтобы собрать стабилизированный источник питания, необходимо сначала выбрать схему конвертора (хотя мы, по сути дела, сделали это при расчете трансформатора). Выбирать однотактную схему в нашем случае не следует:

♦ во-первых, велика мощность;

♦ во-вторых, кольца с однотактными схемами не очень «дружат».

Схема со средней точкой, имея достаточно простую схему управления, помимо проблем с перенапряжениями, вчетверо увеличит число витков первичной обмотки по сравнению с полумостом, а мотать 280 витков на кольце, неустанно заботясь при этом о качестве изоляции — задача, достойная мазохиста.

Хотим ли мы использовать в схеме конвертора биполярные или полевые транзисторы? Вопрос далеко не праздный, ведь те же компьютерные блоки питания в большинстве своем собраны на биполярных транзисторах. Все так, но соображения, которыми руководствуется промышленность, вовсе не обязательно совпадают с радиолюбительскими.

А соображения эти, в первую очередь, экономические — высоковольтные биполярные транзисторы пока еще заметно дешевле, и будут таковыми еще достаточно долго. Но для управления биполярными транзисторами нужен дополнительный трансформатор, который нам придется мотать самим. Взять готовый (из тех же компьютерных блоков питания) не получится, потому что он намотан не на кольце, а от других магнитопроводов мы заранее и категорически отказались.

Итак, принимаем решение создать импульсный конвертор на полевых транзисторах по схеме полумоста. Теперь осталась самая малость — найти в Интернете подходящие микросхемы для управления стабилизированным полумостом.

Увы, просидев в Интернете не один час, мы обнаруживаем, что таких микросхем в природе нет. Есть микросхемы автогенерирующих полумостов, но они нерегулируемые. Есть микросхемы для регулируемых конверторов, но они однотактные. Есть, впрочем, и микросхемы для двухтактных регулируемых конверторов, но они пригодны только для схем со средней точкой. Вывод один — сделать устройство управления на одной микросхеме вряд ли возможно. И очевидное следствие из этого вывода — нужно делать устройство управления из комбинации микросхем. Например, так (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Вариант совместной работы микросхем UC3825 и IR2103

Вторая принципиальная схема

Заглядываем на сайты интернет-магазинов на предмет приобретения микросхемы UC3825 и входим в ступор. 110, 120, 150 рублей! Такое впечатление, что микросхема эта инкрустирована стразами. По сравнению со своим «напарником» IR2103 (в пределах 30 руб.) это просто земля и небо. В таком случае, нам осталась микросхема TL494, правда, ее выходные каскады еще нужно согласовать с IR2103, но 20 руб. вместо 150 руб. того стоят.

Каким образом мы собираемся питать эти микросхемы? Существует два варианта:

♦ от отдельного низковольтного источника питания;

♦ непосредственно от выпрямителя первичного напряжения через гасящий резистор.

Тут нам на помощь вновь спешит калькулятор. Потребление микросхемы IR2103 совершенно ничтожно — менее 0,5 мА, а вот микросхема TL494 потребляет аж 7,5 мА. Делаем простой расчет (310 В — 12 В)/(7,5 мА + 0,5 мА) = 43 кОм.

Вот такой резистор нам потребуется для того, чтобы запитать микросхемы непосредственно от источника первичного напряжения.

Еще небольшой расчет — (43 кОм х (7,5 мА + 0,5 мА)2) = 2,75 Вт — такая мощность будет впустую рассеиваться на нашем резисторе.

Очевидно, что его придется составлять либо из двух двухваттных на 22 кОм (последовательное включение), либо из двух двухваттных на 82 кОм (параллельное включение).

Что касается отдельного низковольтного источника, им может быть либо отдельный трансформатор, либо простейший выпрямитель с балластным конденсатором. Увы, ни первый, ни второй способ в нашем случае неприменим — от отдельного трансформатора мы сразу категорически отказываемся, а совместить балластный конденсатор с выпрямителем на «высокой» стороне невозможно.

Какой из данной ситуации выход? Смириться с напрасно рассеиваемой мощностью в замкнутом объеме шасси, которой та и так немало? Или попытаться как-то выкрутиться из этой ситуации. Мы вновь садимся за Интернет, ищем варианты, и вдруг — о, это вдруг! Как часто оно случается у радиолюбителя!

Возникает идея, простая до безобразия. А почему бы нам не взять однотактный драйвер, и не направить его выходной сигнал на обыкновенный D-триггер. На выходе триггера мы получим двухфазный сигнал, а затем с помощью нехитрой логики сделаем из него двухтактный. Быстренько лезем в Интернет на предмет стоимости этого варианта. Сам драйвер (UC3843) стоит в районе 50 руб., россыпь триггеров и логики — в районе 20 руб. Решено!

Пересчитываем величину резистора с учетом того* что теперь через него проходит ток всего 1 мА, получаем 300 кОм и мощность 0,3 Вт. Теперь можно нарисовать первый, прикидочный вариант принципиальной схемы (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Упрощенная принципиальная схема первого варианта блока питания

В ней еще нет реле времени — пока в его роли будем выступать мы, — но ее уже можно начать делать. Номиналы деталей в ней не проставлены (за исключением микросхем). Почему — будет понятно немного позднее.

Первый блин

Ну вот, все позади, детали приобретены, печатная плата изготовлена, вытравлена, рассверлена, запаяна. Устройство готово к тому, что его отправят в первый путь. Итак, мы смело подключаем к блоку питания ламповый усилитель, подаем сетевое напряжение, и нажимаем кнопку «Вкл.».

Очень часто при первом включении нового устройства на ум приходят кадры военной кинохроники. Лейтенант на фоне развалин машет пистолетом, перемазанный глиной сержантик крутит «адскую машинку»; и очередной мост «взлетает в воздух», унося за собой кучу подлых врагов.

Именно это мы только что наблюдали воочию. Микросхемам «посносило» крышу, от одного транзистора остались только ножки, и вся куча деталей стоимостью две-три сотни кровных превратилась в вонючий дым, поднимающийся к потолку наподобие ядерного грибка.

Примечание.

Это вполне закономерная расплата за самонадеянность. Нужно твердо запомнить одно правило, из которого не бывает исключений — первый вариант любой вновь созданной конструкции никогда не будет работать. Просто не будет.

Потому что такого не бывает, чтобы он заработал с первого раза. И, смело врубив питание, мы отправили наш шедевр не в первый путь, а в последний.

Причин, по которым устройство не будет работать, миллион. Это может быть потому, что мы упустили что-то важное в цепи рассуждений, когда разрабатывали схему. Это может быть неправильное прочтение или ошибка в документации. Это может быть ошибка при разводке печатной платы. Это может быть дефект монтажа. Это может быть все что угодно. И ваша задача — найти эту ошибку, а затем устранить ее.

Давайте вернемся к тому моменту, когда мы нажали кнопку «Вкл.».

Первое, что необходимо было сделать — визуально осмотреть монтаж. Делать это лучше не сразу после того, как плата допаяна, а на другой день. Хитрость проста — за ночь мы успеем немного подзабыть, что на этой плате делалось, поэтому на другой день мы будем на эту плату смотреть, а не угадывать, что на ней расположено. Поиск ошибок — самая трудная часть любой работы, потому что эту ошибку сделали мы с вами.

Цепочка рассуждений здесь предельно проста:

♦ вначале конструкции не было;

♦ затем она была придумана и изготовлена;

♦ кто ее придумал и изготовил? — вы!;

♦ в конструкции оказалась ошибка (вследствие которой она сгорела);

♦ откуда она там взялась? — ее сделали вы! Потому что больше некому!;

♦ вы ее нарочно сделали? — нет!;

♦ раз вы ее сделали не нарочно, значит, вы не знаете, где может быть ошибка? — нет, не знаем;

♦ а, следовательно, где эта ошибка может быть? — ошибка может быть в любом месте;

♦ знаете ли вы, где расположено это любое место? — нет, не знаем, иначе мы бы просто полезли туда и исправили ошибку;

♦ а, стало быть, где нужно искать вашу ошибку — правильно, ее нужно искать везде!

После того, как монтаж осмотрен, нужно брать в руки прибор, например, омметр со звуковой сигнализацией, и тупо, не пытаясь делать никаких умозаключений, «прозвонить» все дорожки печатной платы на предмет замыканий. Повторимся еще раз — не делая никаких умозаключений! Ибо неоднократно случалось, что две дорожки, расположенные чуть ли не в сантиметре друг от друга, и по этой причине якобы в принципе не замыкаемые, все-таки «звонились», а потом оказывалось, что идущие от них провода за каким-то чертом спаяны вместе (вот интересно, какой дурак их спаял?).

Следующий этап — пройтись по всем паяным соединениям, и убедиться, что вывод детали действительно припаян, а не просто торчит из кучки олова. Особенно внимательно нужно осмотреть ножки SMD-компонент — небольшой изгиб их, даже в сотые доли миллиметра, может привести к непропаянным контактам.

Совет.

При пайке горячим воздухом нужно убедиться, что конденсаторы, резисторы и прочая мелочь припаяна с двух сторон — поверхностное натяжение припоя запросто может поднять конец детали так, что он окажется неприпаянным.

Затем следует еще раз осмотреть монтаж, чтобы убедиться в том, что ни одна деталь не касается другой в тех местах, где между ними возможен нежелательный электрический контакт. И только после того, как все эти действия были сделаны, можно начинать выявление ошибок более серьезного уровня — ошибок в логике работы устройства.

Поиск ошибок. Первый шаг

Итак, исходя из правила «первый вариант никогда не работает», какие шаги нам нужно предпринять для проверки нашего устройства? Первый, и самый очевидный шаг — проверить работу драйвера UC3843. Памятуя, что смелая подача питания приведет к новому ядерному взрыву, проверять его работоспособность нужно, подав на него отдельное питание от низковольтного источника, например от аккумуляторной батареи. План прост:

♦ подать питание на драйвер;

♦ проверить наличие импульсов на выход драйвера;

♦ измерить их частоту.

Для осуществления этого плана нам потребуется:

♦ источник питания (например, аккумуляторная батарея);

♦ осциллограф;

♦ частотомер.

Неожиданно, правда? Список приборов впечатляет. Хотя, собственно говоря, впечатляться то особенно нечему. Ведь мы собираем первое устройство такого рода, и то, как оно будет работать — всего лишь наши домыслы, возможно, ничего в реальностью не имеющие. Поэтому-то нам и нужны все эти отнюдь не дешевые приборы — увидеть, что работа устройства соответствует нашим ожиданиям. И если для повторения кем-то придуманной и описанной конструкции очень часто ничего из вышеперечисленного не требуется, то при разработке нового без них просто не обойтись. Собираем схему для запланированных измерений (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Схема проверки работоспособности драйвера UC3843

А теперь проанализируем, что у нас получилось:

♦ на ножке 4 микросхемы наблюдаем сигнал (точка А). Что ж, похоже, генератор работает;

♦ на ножке 6 микросхемы наблюдаем сигнал (точка Б). Выходной сигнал на микросхеме тоже присутствует;

♦ частота генератора — примерно 80 кГц, что и требовалось доказать.

Итак, можно считать, что драйвер работает так, как мы и ожидали.

Переходим к следующему шагу (рис. 8.7) — теперь нам необходимо проверить правильность работы логической части схемы.

Рис. 8.7. Схема проверки работоспособности логической части устройства управления

Вот что у нас получилось:

♦ на входе триггера присутствуют сигналы с выхода драйвера UC3843, как и ожидалось (точка А);

♦ на выходе триггера микросхемы присутствуют импульсы скважностью около двух (точка Б), что также соответствует нашим ожиданиям;

♦ на выходе инвертора, подключенном к драйверу IR2103, присутствуют импульсы скважностью около» двух (точка Б), что также соответствует нашим ожиданиям;

♦ на подключенном хитрым образом осциллографе («земля» — к одному из инверторов, «сигнал» — к другому) видны очень интересные импульсы (точка Г). Их наличие говорит нам о том, что, во-первых, импульсы на выходах инверторов правильно расщеплены по фазе, и во-вторых, что в них присутствует защитный промежуток, устраняющий сквозные токи в силовых ключах конвертора. Вот, кстати, еще один маленький секрет в радиолюбительскую копилку— «землю» осциллографа вовсе необязательно подключать к «земле» конструкции!

Теперь, просто на всякий случай, замеряем частоту импульсов на выходе инвертора. И вот тут нас ждет шок — 40 кГц! Впору хвататься за голову и колотиться ей об стену. Господи, идиот! Ну конечно же, после прохождения через триггер частота уменьшится вдвое! Где ж ты раньше был, умник, со своими рассуждениями?! Ведь это так очевидно! Теперь понятно, почему все это пальнуло — трансформатор вошел в насыщение, ток подскочил за все мыслимые пределы, ну и далее по списку…

Не казните себя, уважаемый читатель! Такие ошибки при проектировании происходят сплошь и рядом. Автору вспоминается совершенно анекдотический диалог, имевший место много лет назад:

А: у этого устройства напряжения питания 3 кВ?

Б: да!

А: тогда, получается, и ток питающий будет в 3 раза меньше!

Б: (весьма удивленно): по отношению к чему он будет в 3 раза меньше?

А: (короткое замыкание в мозгу)…

Да, при разработке устройства мы выстроили безупречную, на наш взгляд, логическую цепочку. Но в этой цепочке вместо одного звена оказался, по меткому выражению братьев Стругацких, «бублик с маком». Могли мы его увидеть, просто сев в кресло и включив те самые «маленькие серые клеточки», которыми так любил похваляться незабвенный Э. Пуаро?

Ответ простой — «не-а!». И не надейтесь! Это — особенность человеческой психики, и бороться с ней практически невозможно. Мы все рождены делать ошибки, мы все имеем право на ошибку, и мы все пользуемся этим правом, даже сами того не желая.

Примечание.

Ведь мы по определению не можем быть неправы, и по этой причине мы никогда не ошибаемся.

Почему великий сыщик всегда с легкостью разгадывал самое хитроумное преступление? Да потому что его совершил не он! У него не было абсолютно верных, с его точки зрения, умозаключений, что если напряжение питания устройства 3 кВ, то ток-то уж непременно будет в 3 раза меньше. И только у другого, совершенно постороннего человека, такая логика может вызвать совершенно законное недоумение — «по отношению к чему»?

В программировании — очень близкой в плане борьбы с ошибками области, — есть способ отладки программ, когда пишет программу один человек, а отлаживает другой, которому неведомы те тараканы, которые были в голове у программиста-«писателя». Результаты удивительны — скорость отладки поднимается в разы!

Вывод из этого случая простой — ошибку нужно искать, а не пытаться догадаться, где она может быть. В данном случае ошибка была вообще не в конструкции — она была в нашем мозгу! Сама конструкция вообще отработала безупречно — сгорела, как и положено!!!

Ошибочна не конструкция — ошибочны наши представления о ней.

Поиск ошибок. Второй шаг

Ну вот, первую свою ошибку мы выловили. Уменьшаем вдвое емкость конденсатора частотозадающей цепочки, измеряем частоту на выходе драйвера (160 кГц, как мы теперь и ожидаем), и частоту на выходе логической части (80 кГц). Далее нужно проверить сигнал на затворах полевых транзисторов. Собираем схему (рис. 8.8) и убеждаемся в том, что напряжение на осциллографе выглядит так, как и ожидалось (точка А). Слава Богу, здесь особых проблем нет.

Рис. 8.8. Схема проверки работоспособности выходного драйвера.

Стало быть, теперь можно смело подавать питание? Да, можно, если очень хочется увидеть еще один ядерный грибок. Откуда такая уверенность, что больше в конструкции нет ни одной ошибки? На чем она основана? Ответ — ни на чем, просто очень хочется побыстрее получить результат.

Следующий шаг — необходимо проверить, как будет работать управляющая часть при питании от сети.

Отключаем аккумуляторную батарею, отключаем сток верхнего ключа от выпрямителя первичного напряжения, и проверяем наличие импульсов на затворах полевых транзисторов.

Все выглядит так, как мы и ожидали, но все-таки нас гложат смутные сомненья _ на экране осциллографа иногда мелькают какие-то странные линии, которых вроде бы раньше не было (точка Б). Для того, чтобы их развеять, просмотрим этот же сигнал, но при значительно более медленной развертке — так, чтобы на экране умещалось несколько десятков, а то и сотен периодов (точка В).

Итак, наши подозрения оказались небеспочвенны. Создается совершенно четкое впечатление, что генератор включается, работает некоторое время, а затем отключается. Это тоже ошибка работы, но вполне объяснимая. Заключается она в том, что питающего тока недостаточно для нормальной работы управляющей части. Если внимательно прочитать документацию на примененные микросхемы, мы обнаружим в ней наличие устройства UVLO (Under-Voltage Lockout) — защиту от слишком низкого напряжения питания. Защита эта необходима для того, чтобы находящаяся «не в режиме» микросхема ничего не пожгла своими неадекватными сигналами. Видимо, именно срабатыванием этой защиты и объясняется такое странное поведение управляющей части. Устранить ошибку легко — нужно уменьшить величину гасящего резистора и увеличить емкость накопительного конденсатора в цепи питания управляющего устройства.

Понемногу уменьшаем величину резистора и увеличиваем емкость конденсатора, и, наконец, при некоторых номиналах прерывистая генерация исчезает. Замеряем величину резистора, и с некоторым удивлением обнаруживаем, что она почти вдвое меньше ранее рассчитанной. Удивляться, впрочем, особенно нечему — расчет мы вели исходя из тока покоя микросхемы, а при переключении ток потребления микросхемы подскакивает в разы, а то и на порядки.

Ну, так что же, восстанавливаем схему? Не-а! Не нужно спешить. Подсоединим сначала сток транзистора к выпрямителю, не подсоединяя трансформатор, и проверим, что у нас получится.

Увы, проблема вернулась — питающего тока вновь не хватает. Вот и память наша услужливая уже бежит-спотыкается с подсказкой: «эффект Миллера»! Конечно же, это он! Уменьшаем величину резистора, пока вновь не получим нормальную картину работы — теперь он уже вчетверо меньше ранее рассчитанной величины.

Поиск ошибок. Третий шаг

Ответственный момент — нужно восстановить подключение трансформатора и попробовать запустить блок питания на холостом ходу — без подключенного лампового усилителя, ибо мы уже научены горьким опытом и не спешим делать сразу все. Подсоединяем трансформатор, подаем питание, отходим подальше, и из дальнего угла палкой нажимаем кнопку «Вкл.»!!!

Слава Богу, ничего не стрельнуло. Однако блок питания работает в высшей степени странно — буквально заливается соловьем. Смотрим сигналы на затворах полевых транзисторов — и ничего не понимаем.

Во-первых, снова возникла прерывистая генерация. А, во-вторых, сам характер импульсов заметно изменился — теперь вместо нормальных импульсов на затворах полевых транзисторов какие-то короткие «иголки». И сами транзисторы явно разогреваются, хотя практически никакой нагрузки на блоке нет! В чем проблема? В трансформаторе?

Не нужно спешить с выводами. Что мы хотели сделать? Мы хотели подключить трансформатор и проверить работу блока питания на холостом ходу. А что мы сделали на самом деле? А на самом деле мы сделали две вещи:

♦ подключили в схему трансформатор;

♦ подключили в схему обратную связь по напряжению.

Итак, нами нарушен главный принцип — делать по одному шагу.

Мы сделали два. Отключаем обратную связь (для этого достаточно убрать из схемы резистор R5) и проверяем работу блока питания. Чудесным образом все заработало так, как мы и ожидали. И вновь услужливая память подсказывает нам: сами мы дураки. Ведь буквально несколько страниц назад умничали про ШИМ и холостой ход!

Нельзя, нельзя проверять работу ШИМ без нагрузки, потому что будет вранье. Ну что же, настало, значит, время подключить к блоку питания реальный ламповый усилитель! Восстанавливаем все соединения, подключаем усилитель, подаем питание, нажимаем кнопку «Вкл.»…

Поиск ошибок. Катастрофа

… и вновь получаем взрыв и ядерный грибок! Ну, тут даже рассуждать особенно нечего — виноват усилитель! Берем омметр и проверяем цепи накала.

Как говорилось в одной советской кинокомедии, «диагноз товарища Саахова полностью подтверждается». КЗ! Сопротивление цепи питания едва дотягивает до 0,25 Ом.

Как же так? Ведь усилитель совсем недавно прекрасно работал от обычного трансформатора. Теперь нужно срочно закупать попаленные микросхемы и транзисторы, но сначала нужно найти это КЗ!

Поиск предельно прост — сначала нужно выдернуть из усилителя все лампы. Выдергиваем лампы, замеряем сопротивление, и — о чудо! — короткого замыкания нет! Выходит, замкнули цепи накала какой-то из ламп. Замеряем по очереди цепи накала ламп — и ничего не понимаем! У всех ламп сопротивление нити накала в районе 1 Ом.

Разделив 6,3 В на 1 Ом получаем почти 6 ампер — а где же обещанные 0,75 А? Не могут же все 4 лампы замкнуть одновременно…

И вот тут откуда-то из глубин памяти начинает потихоньку просачиваться смутное, но очень нехорошее подозрение. Холодная нить…

Горячая нить… При нагревании металла сопротивление его увеличивается…

Чтобы проверить это подозрение, подключаем накал лампы к источнику напряжения 6,3 В, ждем, когда она разогреется, и затем быстренько, пока она еще не остыла, измеряем сопротивление нити накала.

Ну конечно — около 10 Ом! Почти на порядок больше! Стало быть, в момент включения блока питания усилитель «выжрал» с него почти 200 Вт мощности вместо обещанных 20 Вт. Ничего удивительного, что блок питания так бурно отреагировал на такую нагрузку! Вот еще одна наша ошибка, которую мы допустили при разработке.

Кто виноват, и что делать

Виноватых мы уже нашли — запредельный пусковой ток цепей накала, о котором нам даже в голову не пришло подумать. А вот что делать — вопрос в высшей степени интересный. Вариантов решения, по большому счету два:

♦ ограничить пусковой ток;

♦ увеличить мощность блока питания, чтобы он был в состоянии «прожевать» начальный бросок тока.

От второго варианта, по здравому размышления, приходится отказаться — слишком большой запас мощности нужен для нормальной работы блока питания. Лампа 6П14П в плане накала — одна из самых экономичных, а ведь есть и другие лампы, куда более прожорливые, например пентод 6П45С (2,5 А) или триод 6С33С (6 А).

Примечание.

Если в схеме окажется четыре триода 6С33С, то блок питания должен иметь запас более киловатта мощности!

Это даже не утюг — это стиральная машина! К тому же в этом случае нам придется вместо транзисторов в сравнительно «легком» корпусе ТО220 использовать более «тяжелые» ТО247. Причина очевидна — тепловое сопротивление: тепло от кристалла не может быть отведено мгновенно, и, к какому бы большому радиатору не был прикручен транзистор в корпусе ТО220, локальный перегрев кристалла со всеми последствиями ему обеспечен.

Что нужно, чтобы ограничить пусковой ток? Нужно включить в цепь накала датчик тока (обычный резистор) и следить за тем, чтобы падение напряжение на нем не превышало некоторого предела. Внешне все выглядит достаточно просто, однако некоторое количество шишек мы уже набили.

Если мы, к примеру, собираемся ограничить ток величиной 3 А, а сопротивление «холодной» цепи накала всего 0,25 Ом, то для поддержания такого тока напряжение на накальной обмотке должно быть всего 0,75 В. А чем же мы, в таком случае, собираемся питать саму цепь контроля тока? Какие компоненты в состоянии заработать от напряжения в 0,75 В, которое надо еще, как минимум, выпрямить!

Нужно сделать дополнительную обмотку? Она после выхода на рабочий режим в десять раз увеличит напряжение питания? Сделать ограничение по току на стороне высокого напряжения тоже не получится: драйвер UC3843 имеет цепь токовой защиты, но это именно токовая защита, а не регулятор тока. К тому же, установив датчик тока в исток нижнего плеча конвертора (как у нас и сделано), мы в принципе защитим только нижнее плечо конвертора, а делать «полноценную» защиту — значит существенно усложнить ту схему, что у нас уже есть.

Кажется, это конец…

У разбитого корыта

Итак, теоретически безупречная, почти готовая, и даже худо-бедно заработавшая конструкция на поверку оказалась полностью неработоспособной, а как ее привести в рабочий вид — пока непонятно. Впрочем, нет, понятно — нужно менять сам принцип построения устройства.

Подведем первые неутешительные итоги. Стабилизация напряжения накала у нас, по большому счету, провалилась. Схема управления получилась достаточно сложной, а, кроме того, не учитывает бросок тока накала при включении блока питания. Как исправить ситуацию простыми доработками, не совсем понятно. И вот тут-то мы снова возвращаемся к той идее, которую отбросили в самом начале — дать определенный запас по напряжению накала, а излишки погасить стабилизатором.

Хорошо, предположим, что у нас есть какой-то стабилизатор напряжения накала и наша задача — всего лишь обеспечить его нужным входным напряжением, скажем, вольт 8—10. Тогда, возможно, мы сможем, застабилизировать анодное напряжение?

Увы, похоже, что от этой идеи тоже придется отказаться. Потому что характер нагрузки в анодной и накальной цепи различен. Если потребление тока в анодной цепи пропорционально мощности выходного сигнала (минимально при полной тишине, и максимально при самых громких звуках), то потребление тока в накальной цепи после первоначального броска тока вообще не изменяется.

Если мы попытаемся застабилизировать напряжение накала, у нас будут проблемы с анодным напряжением, а если попытаемся застабилизировать анодное напряжение — начнутся проблемы с напряжением накала. Даже отдельный стабилизатор накала не спасет, потому что потребление тока по анодной цепи может изменяться почти в пять раз (от 0,25 до 1,25 выходной мощности), и такой же запас по напряжению нам потребуется для питания накала. 30 вольт — не много ли?

Каков же вывод? Вывод прост — делать стабилизацию какого-то одного из выходных напряжений нельзя, потому что критерии стабилизации анодного и накального напряжения между собой несовместимы. А, значит, импульсный конвертор, использованный в нашем блоке питания, должен быть нерегулируемым. Но ведь в таком случае наш блок питания будет «следить» за всеми провалами сетевого напряжения! Чем это лучше обычного блока питания с «железным» трансформатором? Можно ли, в таком случае, как-то застабилизировать первичное напряжение питания? Да, можно! Потому что на свете существует такое устройство, как корректор коэффициента мощности.

Новые идеи

Итак, понемногу наклевывается новая функциональная схема блока питания (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Новая функциональная схема блока питания

Несколько очевидных пояснений:

♦ входной фильтр (I) нужен для того, чтобы защитить как наш блок питания от помех по сети, так и сеть от помех, создаваемых нашим блоком питания;

♦ выпрямитель (II) нужен для того, чтобы преобразовать переменное напряжение сети в постоянное;

♦ корректор (III) коэффициента мощности нужен для стабилизации первичного напряжения;

♦ импульсный конвертор (IV) нужен для преобразования постоянное напряжение сети в высокочастотное переменное;

♦ трансформатор (V) нужен для получения необходимых выходных напряжений;

♦ выпрямитель вторичного напряжения (VI) нужен для получения постоянного анодного напряжения;

♦ реле времени (VII) нужно для задержки подачи анодного напряжения на усилитель;

♦ выпрямитель низкого напряжения (VIII) нужен для питания стабилизаторов цепей накала ламп.

Новая принципиальная схема

После изучения документации на новые микросхемы наклевывается вот такая принципиальная схема (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Новая принципиальная схема блока питания

Конвертор у нас теперь нерегулируемый, поэтому в нем можно применить полумостовой автогенератор. Корректор коэффициента мощности вообще выполнен по типовой схеме, приведенной в документации на МС34262. Величина первичного напряжения выбрана не 310 В, как обычно, а 400 В. Разумеется, пересчитана первичная обмотка трансформатора — она теперь содержит 90 витков. Двухобмоточный дроссель для корректора мощности, рассчитанный согласно документации на микросхему МС34262, имеет следующие параметры:

♦ материал — кольцо Micrometal тип 26 (из компьютерного блока питания);

♦ первичная обмотка — ПО витков, диаметр провода 0,6 мм;

♦ вторичная обмотка — 10 витков, диаметр провода 0,1 мм.

Памятуя наши прежние проблемы, гасящие резисторы в цепях питания микросхем сразу сделаны в четыре раза меньше, чем это получается в результате расчета.

Второй блин

Итак, устройство собрано. Помня наши предыдущие опыты, мы уже не решаемся врубить его «на авось». Первое, что нужно сделать — убедиться, что импульсный конвертор работает нормально. Для этого подаем на него питание от аккумуляторной батареи, и проверяем его в соответствии со схемой (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема проверки автогенератора

Результат проверки таков:

♦ сигнал на частотозадающем конденсаторе (точка А) имеет вид в соответствии с нашими ожиданиями;

♦ сигнал на затворах полевых транзисторов (точка Б) также имеет вид в соответствии с нашими ожиданиями;

♦ «хитрый» способ подключения осциллографа (точка В) дает нам уже известную по предыдущей конструкции картинку.

Судя по всему, конвертор работает так, как мы ожидали. Теперь необходимо проверить работу корректора коэффициента мощности. К сожалению, просто подать на него питание от аккумулятора не получится — корректор мощности не заработает без реальной подачи на него сетевого напряжения. Поэтому подключаем к блоку питания сетевое напряжение, отключаем конвертор, и с замиранием сердца нажимаем кнопку «Вкл.».

К счастью ничего страшного не произошло. Берем вольтметр и замеряем напряжение на конденсаторе выпрямителя первичного напряжения. Оно оказывается в районе 380–390 вольт, т. е. можно считать, что корректор мощности работает.

Теперь осталась самая малость — подсоединить к выходу накала блока питания какую-нибудь лампочку на 6,3 В, восстановить соединение конвертора с выпрямителем первичного напряжения, подать питание, и нажать кнопку «Вкл».

Ура! Заработало! Да, блок питания «завелся», и вот-вот спалит нашу лампочку, потом что на выходе у него не 6,3 В, а около 8.

Что делать дальше

Дальше необходимо проверить, что блок питания способен длительно работать под нагрузкой. Пока что мы, на самом деле, только убедились в том, что конструкция не содержит явных ляпов. И первое, что надо проверить — то, что ни одна из частей нашей конструкции не разогревается выше допустимого предела: тепловой режим конструкции — ничуть не менее, а, в некотором смысле, даже более важная часть, чем электрический.

Тепловой режим в радиолюбительских условиях проверяется по очень простой методике:

♦ нужно подсоединить к блоку питания нагрузку примерно в 10 % номинала, и включить его примерно на 5 секунд;

♦ затем нужно дождаться разряда конденсатора выпрямителя первичного напряжения — и быстро «общупать» все полупроводники. Ни в одном из полупроводников не должно быть катастрофического нагрева;

♦ затем нужно повторить эксперимент, но время включения увеличить до 10 секунд;

♦ затем нужно вновь повторить эксперимент, но время включения нужно увеличить до 30 секунд;

♦ и, наконец, нужно вновь повторить эксперимент, но время включения должны быть не менее 1 минуты.

Между каждым включением необходимо выждать некоторое время, чтобы детали, успевшие нагреться, успели и остыть, иначе по результатам проверки можно сделать ложное заключение.

Что мы достигаем таким способом проверки? Такой способ проверки дает нам уверенность, что в схеме устройства нет потенциальных проблем как таковых. Дело в том, что нагрузка блока питания в 10 % от номинала совершенно ничтожна по сравнению с той, на которую он рассчитан, поэтому причины нагрева в данном случае кроются не в нагрузке как таковой (они-то как раз вполне естественны), а в проблемах, которые могут иметь место в схеме самой конструкции. Если бы, например, устройство управления конвертором не формировало бы защитный промежуток, то в нем неизбежно возникали бы сквозные токи, вызывающие сильный разогрев силовых ключей. Поэтому наша задача — выявить проблемы именно такого рода.

Итак, подключаем к блоку питания нагрузку в виде 12-вольтовой лампы накаливания с током до 2 А. Здесь важен один момент — нельзя в качестве тестовой нагрузки использовать галогенные лампы! У них эффект первоначального броска тока проявляется еще сильнее, чем у электронных ламп. А дальше — цикл включения, чередующийся с циклом «ощупывания».

Что же мы имеем в результате? Результат следующий:

♦ ключевой транзистор корректора коэффициента мощности довольно заметно нагрелся;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся куда сильнее;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик слегка нагрелся;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора заметно теплая;

♦ ключевые транзисторы конвертора заметно нагрелись;

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала нагрелся.

Что бросается в глаза в этом, с позволения сказать, отчете? Да, в глаза бросается явно заметная субъективность оценок. Что такое «заметно нагрелся»? Что значит «нагрелся куда сильнее»? Какие выводы можно сделать из таких оценок?

К сожалению, это единственный реально доступный в домашних условиях способ проверки. Объективным критерием был бы в данном случае термометр, но он, во-первых, должен быть очень быстродействующим (время измерения в пределах 1–2 с), а, во-вторых, много ли термометров у нас есть по домам? Разве что детские градусники…

Впрочем, в качестве более точного критерия можно в домашних условиях использовать обыкновенную стеариновую свечу — она плавится при температуре около 70 градусов. Для большинства полупроводников 70 градусов — именно та температура, до которой они сохраняют неизменными все свои характеристики — максимально допустимы токи, напряжения и рассеиваемые мощности. Если ни на одном из полупроводников свечка не расплавилась, это — хороший знак, и, значит, проверку теплового режима можно продолжать.

Первое «длинное» включение

Теперь, поскольку никаких катастрофических нагревов мы не «нащупали», нужно включить устройство на долгий срок, в идеале — примерно на полчаса. За это время все холодные части, включая радиаторы полупроводников, успеют прогреться до той температуры, когда поступление тепла изнутри полупроводника уравновесится отводом тепла вовне (в первую очередь — окружающим воздухом).

Первые быстрые включения мы делали для того, чтобы обнаружить проблемы с электрической частью. Теперь наша задача — обнаружить, не накапливается ли где избыточное тепло, достаточно ли эффективны радиаторы и т. д.

Итак, включаем устройство, и ждем отведенные полчаса… И не просто ждем, а время от времени пытаемся аккуратно пощупать корпуса полупроводников, а также обмотки трансформаторов и радиаторы, чего мы не делали в предыдущие прогоны.

Внимание.

Только, ради Бога, не забываем про технику безопасности. Если под рукой имеются резиновые печатки — не поленитесь их натянуть. Щупать нужно только корпуса, а не выводы, даже если мы умеем зависать в воздухе И! Ток запросто может найти путь там, где вы этого меньше всего ждете!

Выдерживать именно полчаса необязательно — если какой-то из компонент начинает слишком быстро нагреваться, можно «тормозить» процесс досрочно.

Вот каков может быть результат:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности разогрелся выше всяких ожиданий, свечка плавится;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся вместе с радиатором до плавления свечки;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся настолько, что прогон пришлось остановить;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора очень теплая;

♦ ключевые транзисторы конвертора нагрелись вместе с радиаторами до плавления свечки;

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

Изгнание огненного духа. Эпизод 1

Итак, что мы в результате имеем? Мы имеем несколько деталей, которые нагрелись до критических температур, и с этим нужно что-то делать. Для того, чтобы уменьшить нагрев деталей, можно поступить одним из четырех способов:

♦ если деталь установлена на радиаторе — взять радиатор побольше;

♦ добавить принудительный обдув устройства;

♦ заменить сильно греющуюся деталь более «мощной»;

♦ изменить схему устройства или режим работы компонента, чтобы снизить тепловыделение.

Самый первый путь является самым очевидным, но против него есть целый список возражений. Во-первых, большой радиатор нужно еще куда-то установить, а это может потребовать переделки всей платы, поскольку мы на это не рассчитывали. Во-вторых, мы ведь делаем устройство для питания лаповых конструкций, а не устройство для нагрева воздуха. Если бы нам нужно было нагревать воздух, мы бы сделали калорифер и не мучились бы со схемой. Поэтому увеличение радиаторов — это путь, который мы попробуем в самую последнюю очередь.

Добавить принудительный обдув — это хорошая мера, дающая прекрасный результат. Однако пользоваться этой мерой нужно весьма осмотрительно. Применение вентилятора уместно тогда, когда естественный поток воздуха либо отсутствует, либо крайне затруднен, например, в глубине шасси (мы еще вернемся к этому вопросу). Плата, находящаяся на открытом воздухе, должна все-таки, по возможности, остывать сама — без посторонней помощи.

Заменить деталь более «мощной» — хорошая альтернатива, в том числе и в радиолюбительских условиях. Понятно, что более «мощный» компонент будет при прочих равных условиях меньше греться — и за счет меньшего рассеивания мощности, и за счет более эффективного отвода тепла от кристалла полупроводника.

Что у нас там в списочке проблемное? Ах да, ключевые транзисторы конвертора! Ну что же, заменяем их с 2SK2141 на IRFP450, и снова устраиваем получасовой прогон. Не забыли правило — по одному шагу! Не нужно заменять сразу все.

Каков же результат на этот раз? А вот каков:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности разогрелся выше всяких ожиданий, свечка плавится;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся вместе с радиатором до плавления свечки;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся настолько, что прогон пришлось остановить;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора уже не теплая, а горячая;

♦ ключевые транзисторы конвертора нагрелись до плавления свечки куда быстрее, чем в прошлый раз;

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

Вот так! Это называется «приехали». Более «мощная» деталь, оказывается, сильнее греется!!!

Изгнание огненного духа. Эпизод 1. Продолжение

Неожиданный финал, правда? Вопреки нашим непоколебимым представлениям, замена хороших деталей лучшими привела в итоге к худшим результатам. Лучшее — враг хорошего! Как такое вообще возможно? Где ошибка?

Не беремся судить про все вопросы. Но ответ на последний очевиден — ошибка в наших представлениях о работе конструкции.

Конструкция всегда права, ведь она всегда ведет себя именно так, как и должна вести себя в данной ситуации. Если она должна сгореть, оттого что мы кое-что напутали в расчетах — она непременно сгорит!

И если при замене менее «мощной» детали на более «мощную» устройство стало греться сильнее — значит, именно так и должно было произойти! Конструкция всегда права, а мы — всегда неправы! И потому единственное, что нам остается в этой ситуации — вновь сесть за осциллограф, и шаг за шагом проверить работу конструкции, чтобы найти ошибку — нет-нет, не в конструкции, не обольщайтесь! — в наших с вами представлениях о ее работе. Итак, подключаем к блоку питания осциллограф (см. рис. 8.11) и смотрим сигнал на затворах полевых транзисторов.

Все хорошо, ничего неожиданного мы не видим, но нас отчего-то смущает какая-то округлость вершин импульсов (точка Б), как будто у них немножко срезаны кончики. Да и вертикальные «черточки» импульсов почему-то не выглядят такими уж вертикальными, у них есть довольно заметный наклон. Что-то с микросхемой? Ну-ка, возвратим-ка мы схему в предыдущее состояние, и посмотрим, как дело обстоит там!

Изгнание огненного духа. Эпизод 1. Финал

Ну да, новый вариант немного отличается от того, что мы видели перед этим — округлостей вершин почти нет, да и сами импульсы куда больше похожи на прямоугольные. И тут же память наша услужливая подсказывает нам — емкость! Емкость затвора!

Чем мощнее транзистор, тем емкость затвора у него больше. А чем больше емкость затвора, тем дольше длится процесс ее перезаряда, тем дольше полевой транзистор находится на активном участке своей характеристики, где нагрев его максимален. Это, да еще и эффект того самого Миллера в придачу, и вызвал такой неожиданный для нас нагрев. А микросхема-то, микросхема! Вот как она старается перезаряжает затвор! Оттого и стала она гораздо горячее, чем была до замены.

Ну вот, огненный дух, кажется, выведен на чистую воду. Теперь самое время заняться «вторым проклятым вопросом» — что делать?

Напрашивается в данной ситуации одно-единственное решение — сократить время перезаряда затвора. Сделать это можно двумя способами:

♦ либо уменьшить сопротивление цепи перезаряда;

♦ либо уменьшить емкость затвора полевого транзистора.

Уменьшить сопротивление цепи перезаряда — хорошая идея. Достаточно поставить на выход микросхемы сдвоенный эмиттерный повторитель — и можно будет перезаряжать емкость затвора с гораздо большей скоростью. Уменьшить емкость затвора мы при всем желании не можем — емкость эта скрыта в недрах полевого транзистора, и уменьшить ее можно разве что подпилив кристалл надфилем! Нет, этот путь отпадает. Хотя…

Ах, опять это радиолюбительское «хотя»! Вдруг ни с того ни с сего на ум приходит одна идея. Каскодный ключ! Ключ, состоящий не из одного, а из двух полевых транзисторов. Нижний по схеме транзистор — низковольтный, но достаточно высокочастотный, включен по, схеме ОИ. Верхний — высоковольтный — по схеме ОЗ. Частотные свойства такой связки определяются нижним транзистором ключа, а ведь низковольтные полевые транзисторы имеют намного лучшие частотные свойства! Допустимое же напряжение такой связки определяется характеристиками верхнего транзистора. И — самое главное, — у нижнего транзистора эффект Миллера практически отсутствует, а это означает, что перезаряжаемая емкость уменьшится чуть ли на порядок. Да, конечно, два транзистора дороже одного, но мы же с вами не завод по производству блоков питания. На хорошее дело можно и потратиться.

Замечательная, конечно идея. Жаль только, что вновь придется переделывать схему (см. рис. 8.12).

Рис. 8.12. Вариант автогенератора с каскодными ключами

Второе «длинное» включение

Итак, печатная плата разведена и изготовлена, детали с прежней платы благополучно мигрировали на новую, новых проблем с электрической частью не обнаружено, и теперь мы устраиваем нашей схеме второе «длинное» включение. Чтобы не повторяться — сразу озвучим результат:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности разогрелся выше всяких ожиданий, свечка плавится;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся вместе с радиатором до плавления свечки;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся настолько, что прогон пришлось остановить;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;

♦ ключевые транзисторы'конвертора слегка нагрелись (причем более теплыми ощущаются «нижние» ключи каскодной схемы);

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

Ну что же, за такой результат можно только искренне порадоваться!

Особенно радует то, что практически перестала нагреваться микросхема автогенератора — чем меньше греется та или иная деталь, тем выше надежность ее работы. Ну а теперь продолжим исправлять проблемы с тепловым режимом в остальных компонентах конструкции. И теперь самое бросающееся в глаза критическое место — корректор коэффициента мощности.

В корректоре коэффициента мощности критическими элементами, как мы определили во время прогона, являются:

♦ двухобмоточный дроссель;

♦ транзисторный ключ;

♦ диод корректора мощности.

Примечание.

Кажется совершенно понятным, что именно надо предпринять — нужно заменить транзисторный ключ корректора коэффициента мощности на каскодную схему. Ведь только что перед этим мы вполне успешно заменили каскодными ключами транзисторы конвертора, и получили великолепные результаты!

Конечно, стоит только поменять этот кусок, и все волшебным образом наладится.

Увы, не все так просто в этом мире! Безусловно, рассуждения по аналогии являются одним из сильнейших приемов мышления, но давайте спросим самих себя, где мы здесь углядели аналогии. Ведь, в отличие от конвертора, у нас есть еще один компонент, проявляющий ненормальный нагрев — двухобмоточный дроссель! Да, в конверторе грелись ключи и микросхема драйвера, но ведь сам-то трансформатор был «всего лишь теплый»! Он вовсе не плавил свечки! Так что рассуждения «по аналогии» в данном случае — скорее всего, ложный путь, который заведет нас в никуда.

Отчего может греться двухобмоточный дроссель? Любой материал, используемый в качестве магнитопровода, имеет некую предельно допустимую индукцию насыщения. Фактически эта индукция связана с максимально возможной энергией, которая может быть накоплена материалом магнитопровода в виде магнитного поля. Этой энергии нельзя накопить сколько угодно много — материал магнитопровода накапливает ее, «разворачивая» магнитные домены, и, когда они все будут «развернуты», наступит «насыщение» материала магнитным полем.

Примечание.

«Вкачивание» дополнительной энергии в насыщенный магнитопровод будет приводить только к стремительному увеличению тока через обмотки (без сколь-нибудь заметного накопления энергии), что и приводит к сильному нагреву.

Но источником нагрева могут быть не только обмотки, но и сам магнитопровод — если подать на него слишком высокую частоту. Какая из этих двух причин является в нашем случае главной? Первая? Вторая? А, может быть, обе одновременно? Как это выяснить?

Очевидное решение, которое буквально напрашивается — измерить ток, проходящий через ключ. К великому сожалению, сделать это невозможно — схема корректора коэффициента мощности имеет контур обратной связь по току, поэтому характер тока будет определяться режимом работы микросхемы корректора коэффициента мощности, а вовсе не фактом насыщения сердечника.

Вообще, измеряя какие-либо параметры в устройствах, охваченных обратной связью, нужно всегда быть готовым к тому, что измеряемая величина окажется совершенно не совпадающей с нашими ожиданиями, потому что в дело вмешалась обратная связь. В таком случае частенько не остается ничего другого, как провести с устройством научный эксперимент.

В чем будет состоять научный эксперимент в нашем конкретном случае? Мы должны выяснить, что именно — частота или величина тока, — является определяющим в нагреве нашего дросселя. Сделать это можно одним из следующих способов:

♦ перемотать дроссель на магнитопровод больших размеров, заведомо исключающий насыщение;

♦ перемотать дроссель на другой, более высокочастотный материал магнитопровода.

Если у нас нет желания связываться с расчетами, достаточно просто взять кольцо большего диаметра и намотать на нем ту же обмотку, что и на нашем нынешнем кольце. С этого мы и начнем:

♦ материал — два кольца MicroMetal тип 26, сложенных вместе;

♦ первичная обмотка — 110 витков, диаметр провода 0,6 мм;

♦ вторичная обмотка — 10 витков, диаметр провода 0,1 мм.

Третье «длинное» включение

Не будем утомлять друг друга повторами — по большому счету после замены почти ничего не изменилось, более того, кажется, что теперь ключ и диод корректора коэффициента мощности стали разогреваться еще сильнее (или еще быстрее, по крайней мере). Видимо, все-таки не в насыщении дело. Тогда остается второй вариант — заменить материал кольца. Возьмем на этот раз пермаллоевое кольцо. Вот что у нас получится в результате расчетов:

♦ материал — пермаллоевое кольцо МП140 КП20х12x6,5;

♦ первичная обмотка — 110 витков, диаметр провода 0,6 мм;

♦ вторичная обмотка — 10 витков, диаметр провода 0,1 мм.

Четвертое «длинное» включение

Ура! Вот что получилось в результате:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности слегка теплый;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности достаточно нагрелся, но свечку не плавит;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся достаточно сильно, но не до такой степени, чтобы прерывать прогон;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;

♦ ключевые транзисторы конвертора слегка нагрелись (причем более теплыми ощущаются «нижние» ключи каскодной схемы);

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

Примечание.

Самое удивительное, что после замены магнитопровода перестал греться не только дроссель, но и ключ!

Хотя, по большому счету, ничего удивительного в том нет. Если какой-то компонент конструкции сильно нагревается, значит, он откуда-то черпает энергию для своего нагрева. А это, в свою очередь, означает, что по всему пути прохождения этой энергии будут более сильные электрические, а, следовательно, и тепловые потери. Итак, еще одна корректировка нашей схемы, к счастью, не связанная с ее радикальной переделкой — изменились параметры двухобмоточного дросселя.

Ну а теперь, наконец-то, можно попытаться снизить нагрев ключа корректора коэффициента мощности. На этот раз, кажется, ничто не мешает принципу аналогий, и следует попробовать заменить ключ каскодной схемой. Чтобы не переделывать заново плату, просто «набросаем» эти доработки «летучим» монтажом — если работа устройства улучшится, сделаем все капитально.

Пятое «длинное» включение

Опаньки! Вот уж этого мы меньше всего ожидали:

♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся достаточно, но меньше, чем при предыдущем прогоне;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся заметно сильнее предыдущего прогона.

Примечание.

Оказывается, что работа ключа и диода между собой взаимосвязаны! Чем меньше греется силовой транзистор, тем сильнее греется диод.

Есть ли этому какое-то объяснение? Объяснение этому факту есть, и оно вполне очевидно — раньше у нас самым «медленным» звеном был транзистор силового ключа (обычно высоковольтные полевые транзисторы имеют время закрывания порядка 300 не), а теперь это звено закрывается за время порядка 30–50 не.

И что теперь оказывается самым «медленным» звеном? Правильно, диод (со своими 100 нс)! Вот и получается — те динамические потери, что ранее рассеивались на силовом ключе, теперь «перекочевали» на диод! Таким образом, улучшив один элемент схемы, мы тем самым ухудшили режим работы другого.

И вот теперь перед нами встает вопрос — что делать с этим «улучшением». С одной стороны, режим работы силового ключа объективно стал легче. С другой стороны, легче он стал за счет утяжеления работы другого элемента схемы. Причем, в отличие от транзисторного ключа, который мы сделали каскодным, улучшить схемно-техническими решениями диод невозможно — он какой есть, таким и останется. Так что, возможно, в данном случае нужно просто махнуть рукой на то, что есть — усложнение схемы недостаточно себя оправдывает.

Давайте так и сделаем — махнем рукой. Каскодный ключ корректора мощности — отменяется! Тем не менее, улучшить работу этого узла можно, но уже совсем прямолинейным способом — заменой деталей на другие, с лучшими характеристиками:

♦ транзистор VT заменяем с 2SK141 на IRF740;

♦ диод заменяем с HER305 на UF600G.

Шестое «длинное» включение

Результат прогона следующий:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности слегка теплый;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности слегка нагрелся;

♦ диод корректора коэффициента мощности слегка нагрелся;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик слегка нагрелся;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;

♦ ключевые транзисторы конвертора слегка нагрелись;

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

Результат не может не радовать, хотя достигнут заменой на заведомо «излишние» по своим характеристикам компоненты!

А теперь — стабилизатор напряжения накала

Да, теперь нужно делать именно его. Для начала нужно определиться, каких характеристик мы от него ждем. Очевидно, выходное напряжение стабилизатора должно быть равным 6,3 В. Очевидно, что он должен обеспечивать ток не менее 3 А (а лучше больше) — именно такие величины мы использовали в предварительном расчете. И — самое главное, — этот стабилизатор должен ограничивать первоначальный бросок тока, потому что делать почти десятикратный запас по мощности для цепей накала нам совершенно ни к чему.

Как обычно, первое, с чего нужно начать разработку новой схемы, — это поискать готовые решения. В данном случае нас интересуют «импульсные Step-Down». Ведь городить линейный стабилизатор на ток в несколько ампер — значит гарантированно заполучить гигантский радиатор.

Но тогда как в таком случае будет выглядеть наша предыдущая борьба за уменьшение тепловыделения? Совершенно верно, она будет выглядеть полной глупостью! В результате поиска мы почти гарантированно «нарвемся» на массу схем с применением микросхемы МС34062 (отечественный аналог — К1156ЕУ5). Слов нет, микросхема, несмотря на давность разработки, и поныне весьма популярна, но, увы, — ей для нормальной работы потребуются мощные биполярные транзисторы, которые совсем не хотелось бы применять.

И вот тут наше внимание привлекает не слишком известная микросхема TPS40200. Она имеет все, что нам надо — плавный пуск, входы обратной связи и токовую защиту, хотя и требует для работы полевого транзистора с Р-каналом (отечественных аналогов таким транзисторам вообще не существует, да и характеристики транзисторов с Р-каналом всегда немного похуже, чем характеристики транзисторов с N-каналом). В даташите на микросхему имеется и типовая схема включения, так что задача представляется совсем несложной — спаял, убедился в работоспособности, и почил на лаврах. Итак, вот такую схему мы соберем для стабилизатора напряжение накала (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Предварительная схема стабилизатора напряжения накала

Стабилизатор. Первый прогон

Схема стабилизатора нарисована, типы и номиналы компонент выбраны, дроссель намотан, печатная плата разведена и вытравлена, схема спаяна. Теперь вновь, как и ранее, проверяем схему на качество пайки и отсутствие замыканий. Затем подключаем к выходу стабилизатора лампу накаливания на 6,3 В, на вход Стабилизатора подключаем аккумулятор на 12 В, и — о чудо! — все заработало с первого включения! Вот что значит типовая схема! Теперь остается самая малость — проверить его работу на реальном усилителе. Подсоединяем вместо лампы накаливания наш ламповый усилитель, подаем питание и ждем, когда нагреются лампы.

Кажется, наше ожидание несколько затянулось…

В самом деле, прошло уже минуты три, а лампы и не думают нагреваться. Ну что же, давайте проверять схему. Первое, что надо посмотреть — выходное напряжение. Берем вольтметр и замеряем напряжение на выходе стабилизатора.

Удивительно, но на выходе всего лишь около 0,1 В! Что это может быть — очередное короткое замыкание? Или же это схема работает в каком-то странном режиме?

Увы, мы с вами снова наступили на те же самые грабли, на которые наступали неоднократно до этого, и, к великому сожалению, будем наступать еще не один раз. Итак, что мы имеем:

♦ мы собрали схему стабилизатора на основе рекомендуемой даташитом типовой схемы;

♦ мы проверили работу схемы на лампе накаливания и убедились в том, что она работает так, как надо;

♦ мы подключили схему к реальной нагрузке и убедились, что она перестала работать.

А вот теперь мы начинаем строить гипотезы, что же такое вдруг случилось с этой схемой, что она перестала работать? А ведь вместо построения гипотез мы должны были задать себе совсем другой вопрос — где ошибка в наших представлениях о работе конструкции!

Повторим мысленно то, о чем мы совсем недавно говорили — не бывает ошибочных конструкций, бывают ошибочные преставления об их работе! Конструкция, к нашему с вами сведению, всегда права. Если она выдает на выход 0,1 В напряжения, значит, именно это она и должна делать в данной конкретной ситуации, а то, что это никак не согласуется с нашими ожиданиями — так это проблема наших ожиданий, а вовсе не проблема работы конструкции. И наша с вами задача — не «измысливать» гипотезы — одна другой краше, — что там не так с электронами, а увидеть (подчеркну — не понять, а именно увидеть), в чем именно наши представления расходятся с действительностью.

А что нужно сделать для того, чтобы увидеть проблему?

Совершенно верно — нужно надеть себе на нос радиолюбительские «волшебные очки», иными словами, взять в руки осциллограф. И вот это — еще одно неписаное правило при разработке новых конструкций: первый прибор, которым мы лезем в схему, должен быть только осциллографом.

Второй, третий и прочие — по обстоятельствам, но первый — только он! Конечно, из этого правила есть исключения, например ВЧ и СВЧ техника — там осциллографы стоят такие деньги, что БМВ покажется детской игрушкой, — но исключения эти только подтверждают правило. Итак, собираем схему (рис. 8.14), подаем питание и смотрим, что у нас на выходе…

Рис. 8.14. Схема проверки стабилизатора

Превратности типовой схемы

А на выходе у нас получается очень интересная картина. Там, оказывается, вовсе не 0,1 В, как показал нам вольтметр, а очень короткие пачки буквально из нескольких импульсов вполне себе немаленькой амплитуды (точка А). И вот это сразу наводит на определенные размышления — это, возможно, срабатывает токовая защита. Ведь мы, исходя из соображений максимального потребления тока в рабочем режиме, рассчитали резистор в цепи истока под ток в 4 А, а при пуске этот ток будет раз в 5—10 больше (что мы уже установили экспериментальным путем, спалив один блок питания).

Кстати, зададим уж себе один, в высшей степени любопытный, вопрос: а какую причину мы отыскали бы, если бы начали делать выводы из показаний вольтметра? Утечка через канал транзистора?

Обратный ток через диод? Любые измерительные устройства, кроме осциллографа и некоторых весьма специальных приборов, всегда выдают в качестве результат измерений некие усредненные (интегральные) показатели.

В этом смысле наш вольтметр нам не наврал — среднее значения напряжения на выходе, наверное, и есть 0,1 В, вот только выводы из этого мы делаем совершенно превратные. Так же и частотомер, на входе которого каждые полсекунды присутствует частота 100 кГц, измерит ее как 50 кГц, и, в принципе, будет совершенно прав, вот только выводы из его показаний мы тоже сделаем совершенно превратные.

Как проверить наше предположение о срабатывании токовой защиты? Есть, очевидно, два пути:

♦ отключить эту самую токовую защиту, временно замкнув резистор в цепи истока полевого транзистора;

♦ попробовать подключить к нашему устройству меньшую нагрузку и посмотреть, как он на это отреагирует.

Первый путь сам по себе очевиден, но отключать защитные цепи в любом устройстве — это почти всегда лотерея: может повести, а, может, и нет. Второй путь мне кажется попроще — для этого нужно просто извлечь три лампы из четырех, и вновь выполнить прогон. Извлекаем, выполняем прогон.

Ждать пришлось довольно долго — почти пару минут, — но, в конце концов, нить накала лампы все-таки засветилась. На экране осциллографа при этом наблюдалась любопытная картина — длительность пачки импульсов по мере работы все увеличивалась и увеличивалась, и, наконец, режим «пачек» исчез, уступив место нормальному меандру без каких-либо перерывов. И, кажется, у нас уже есть этому объяснение.

Всякий раз при прохождении небольшой пачки импульсов нить накала лампы все-таки успевала слегка разогреться, а, следовательно, и немного увеличить свое сопротивление. Последующая пачка импульсов была уже немного подольше, потому что токовая защита срабатывала попозже, и таким образом, мало-помалу, нить накала и разогрелась до нормальной рабочей температуры.

А отсюда — и практическая идея — нужно сделать так, чтобы пуск устройства был еще более мягким, чем у нас есть сейчас, т. е. напряжение на выходе устройства нарастало бы намного медленнее, чем сейчас. Для этого, согласно даташиту, нужно существенно увеличить емкость конденсатора, подсоединенного к выводу «мягкого старта» микросхемы (на схеме он обозначен как SS). Но здесь нам придется основательно задуматься.

Дело в том, что емкость этого конденсатора нельзя увеличивать выше определенного предела. Практически во всех микросхемах, где в том или ином виде реализован «мягкий старт», параллельно этому конденсатору внутри микросхемы подключен транзистор, предназначенный для экстренного разряда конденсатора (например, при срабатывании токовой защиты). В этом случае после устранения перегрузки микросхема вновь сможет выполнить «мягкий старт». Но если емкость этого конденсатора окажется слишком большой, такой экстренный разряд может просто-напросто вывести транзистор из строя! И в результате у нас возникает дилемма — нужно ставить конденсатор большой емкости и нельзя ставить конденсатор большой емкости. Как быть?

Ну, самое очевидное в нашей ситуации — попытаться поискать что-либо на эту тему в Интернете. Хотя с изрядной долей уверенности можно сказать, что готового решения в нем на этот счет, скорее всего не найдется. Не найдется по той простой причине, что выполнить устройство, к которому одновременно предъявляются несколько взаимоисключающих требований — это уже не инженерная, а изобретательская задача! И при решении этой задачи важно четко определить саму проблему, в этой задаче скрытую.

В нашей книге не время и не место углубляться в теорию изобретательского творчества, скажем только, что одним из основоположников научного подхода к решению изобретательских задач является Г. С. Альтшулер и его интереснейшую книгу «Алгоритм изобретения» (которая, увы, давно стала библиографической редкостью) мы вам настоятельно советуем прочитать.

Отмечу только, что любое решение изобретательской задачи состоит, в первую очередь, в выявлении в этой задаче т. н. «технического противоречия», которое в нашем случае будет звучать так:

♦ для того, чтобы обеспечить как можно более плавное нарастание выходного напряжения стабилизатора, емкость конденсатора должна быть как можно большей;

♦ для того, чтобы не вывести из строя микросхему при срабатывании защиты, емкость конденсатора должна быть как можно меньше.

Инженерный подход к решению задачи подразумевает, что мы с вами должны выбрать конденсатор такой емкости, чтобы он уже был бы достаточен для выполнения первого требования, но еще не настолько большим, чтобы вывести микросхему из строя.

Изобретательский подход к задаче подразумевает совсем другое решение, а именно: нужно сделать так, чтобы заряжался конденсатор как большой-большой, а разряжался как маленький-маленький! И, как только мы сумеем сформулировать задачу именно таким образом, становится очевидным и решение ее — нужно сделать так, чтобы заряд и разряд конденсатора происходил разными путями.

И тут же память наша услужливая подскажет нам очень простенькую схемку (рис. 8.15). Несмотря на простоту, ее следует внимательно изучить.

Рис. 8.15. Вариант решения цепочки плавного пуска

При заряде конденсатора ток в этой схеме проходит по пути «эмиттерный переход транзистора», «конденсатор». Время заряда конденсатора определяется при этом током вывода микросхемы и емкостью конденсатора. Но ток вывода микросхемы идет не только через конденсатор, он проходит и через транзистор, и, вполне очевидно, через транзистор проходит большая его часть (в В раз больше, чем через конденсатор). А это значит, что и время заряда конденсатора в этой схеме будет в В раз больше, чем время заряда «отдельно стоящего» конденсатора. Если учесть, что современные составные транзисторы имеют коэффициент усиления, измеряемый десятками тысяч, то и конденсатор будет заряжаться так, как-будто он имеет емкость в десятки тысяч раз больше его реальной емкости. Разряд же конденсатора происходит по цепи «диод» «конденсатор», где никакого транзистора нет, а значит, и разряжаться он будет обычным образом.

Ну а теперь осталась включить только что рассмотренное схемно-техническое решение в основную схему (рис. 8.16), заново развести плату, спаять устройство и вновь его проверить.

Рис. 8.16. Новый вариант схемы стабилизатора напряжения накала

Стабилизатор. Последний прогон

Да, прогон действительно последний. Напряжение на выходе плавно нарастает, лампы плавно нагреваются, каких-то не в меру горячих компонент в стабилизаторе не обнаружено. Остается самая малость — собрать блок питания и стабилизатор в одну кучу и проверить их совместную работу с нагрузкой.

Генеральная репетиция

Блок питания и стабилизатор подсоединены к усилителю. Теперь остается только нажать кнопку «Вкл.» и, наконец, посмотреть (а точнее, послушать), что у нас получилось. Нажимаем кнопку «Вкл.» и ждем, когда лампы прогреются.

Услышанное можно описать только одним словом — «ужас»! Усилитель явственно шипит и шуршит, хотя, надо признаться, столь часто присутствующего фона практически не слышно. Что же является источником столь жутких призвуков при работе усилителя?

Вполне очевидно, что источником этих призвуков является только что изготовленный блок питания, потому что раньше усилитель вел себя вполне пристойно.

Как в нашем случае найти причину такой не вполне нормальной совместной работы усилителя и блока питания? Самый правильный способ нам уже известен — нужно взять осциллограф, и, покаскадно просматривая прохождение сигнала в усилителе, найти место, где рождается этот шум.

Однако, в нашем случае, для того, чтобы локализовать проблему, мы можем воспользоваться более простым и быстрым способом. Сначала снова включим усилитель, дождемся, когда он выйдет на рабочий режим, а затем быстро отключим от него цепи накала.

Примечание.

Горячие лампы без накала успеют нормально проработать еще несколько секунд. По изменению уровня шума мы сможем определить, какую часть этого шума в усилитель привносят анодные цепи, а какую — накальные. Итак, включаем, ждем нагрева и отключаем накал!

Результат проверки получился весьма впечатляющий — шум почти исчезает, т. е. львиную долю шума в работу усилителя вносят именно накальные цепи. И почти сразу же можно сформулировать гипотезу — шум по цепи накала обусловлен проникновением высокочастотной составляющей через емкость катод-подогреватель. Гипотеза кажется вполне правдоподобной — цепи накала ламп всегда питались либо постоянным током, либо переменным током с частотой 50 Гц. Емкость же катод-подогреватель на лампах, предназначенных для усиления низкочастотного сигнала, никогда не была сколь-нибудь критична для нормальной работы в силу своей малости.

Примечание.

Но то, что на частоте 50 Гц — малость, на частотах в десятки и сотни килогерц превращается во вселенскую проблему!

Итак, первое, что требуется — улучшить фильтрацию напряжения на выходе стабилизатора. Сейчас у нас на выходе стабилизатора стоит обыкновенный электролитический конденсатор. Но электролитический конденсатор — достаточно низкочастотный прибор, поэтому частоты в десятки килогерц фильтрует достаточно плохо. Обычное в таких случаях решение — зашунтировать его высокочастотным керамическим конденсатором. А еще лучше — собрать полноценный фильтр электромагнитных помех. Например, по схеме рис. 8.17.

Рис. 8. 17. Вариант схемы фильтра ЭМП для стабилизатора напряжения накала

Поскольку переделывать заново плату стабилизатора нас уже просто коробит, выполним пока этот фильтр на навесных элементах «летучим» монтажом. Снова подаем питание на усилитель и слушаем его работу.

Генеральная репетиция. Дубль 2

Да, фильтр ЭМП явно помог — шум стал значительно тише, хотя еще достаточно слышен. Это по-прежнему именно шум цепей накала, потому что при отключении накала уровень шума вновь снижается, хотя гораздо в меньшей степени, чем прежде. Теперь нужно найти в нашем усилителе «слабое звено», которое сильнее всего реагирует на помехи со стороны цепей накала. Для этого попробуем сначала вынуть из усилителя входные лампы — из того очевидного соображения, что сильнее всего одну и ту же помеху будет «чувствовать» именно входной каскад. Снова подаем питание на усилитель, и снова проделываем все те же самые манипуляции.

Да, шум по цепям накала практически пропал. Выводы таковы, что даже фильтр ЭМП оказывается недостаточным препятствием для помех во входном каскаде усилителя. Выход один — питать цепи накала входных ламп не от ключевого, а от линейного стабилизатора напряжения. Конечно, это потребует разделения цепей накала в усилителе, но во многих высококачественных ламповых усилителях эти цепи и так разделены — из соображений борьбы с фоном.

Стабилизаторов напряжения на 6,3 В в готовом виде нет, их придется либо изготавливать по какой-либо схеме, либо подобрать ближайший подходящий. Ближайший подходящий стабилизатор напряжения — серии LM78 на 6 В с допустимым током до 1 А (входные лампы в плане накала обычно весьма «нетребовательные», и этого тока им хватит, что называется, «за глаза»). Ну что, проверяем?

Да, на этот раз помехи по цепи накала практически исчезли. Остается только небольшой постоянный шум, вызванный, очевидно, уже анодным цепями. Решение по этому шуму вполне очевидное — фильтр ЭМП в анодную цепь.

Финиш! Да, кажется это конец. На этот раз — в хорошем смысле слова. Усилитель включился и работает, шума практически нет, остается подать на него сигнал, и погонять блок питания в рабочем режиме под нагрузкой. Остается добавить, что во время прогона мы уже своими собственными ушами можем услышать, что динамика усилителя явно поменялась в лучшую сторону — он уже не «захлебывается» звуком, как порою случалось раньше.

Еще раз о габаритах конструкции и воле творца

Да-да, именно об этом пришла пора задуматься. Ведь изначально блок питания задумывался, как нечто, что можно легко спрятать внутрь шасси. А пока что наш блок питания вместе со всеми своими радиаторами, конденсаторами и прочим добром имеет такие габариты, что внутрь шасси его явно не затолкаешь. Выход один — очередная переделка.

В разработке любой конструкции рано или поздно, но почти всегда наступает момент, когда у творца опускаются руки. В самом деле, мы уже успели четырежды переделать плату блока питания, и дважды — плату стабилизатора. Стоимость кучки обугленных деталей давно перевалила тысячерублевую границу, и, наверное, перевалит и следующую отметку. Решенным проблемам нет числа, а сколько их еще будет впереди!

Мы уже наизусть знаем каждую дорожку печатной платы. Энтузиазм, как и «вечная любовь», успел давно погаснуть, остыть и покрыться золой. В интернете наше будущее изделие не обхаял только ленивый. Никому, кроме пары-тройки больных на голову, эти блоки питания не нужны!

И, что особенно удивительно — многие, ну просто очень многие делали такие блоки питания (судя по их постам в Интернете), но получили в результате полное… кхм… Ну, словом, понятно что. Бросать все надо, бросать! Тем более, никто ничего не узнает, если, конечно, мы с вами перед этим не раструбили по всему Интернету о своих супер-планах (а мы, слава Богу, не раструбили!). Теперь при случае можно даже будет с полным правом ввернуть в какую-нибудь Интернет-дискуссию и свои пять копеек: да делал я такое… ерунда… не парься!

Увы, это именно та опасность, что поджидает в конце пути каждые девять конструкций из десяти. Весь долгий путь радиолюбительства буквально усеян трупами таких вот не родившихся, не состоявшихся, не оправдавших надежд, не доведенных до ума устройств. Многим из них пророчили большое и светлое будущее, многие были призваны решить великие задачи, но произошло самое печальное — их авторам, их родителям, их творцам не хватило воли. Да-да, воли!

Ни знаний, ни умений! Нет обычной человеческой воли довести, начатое дело до конца! И, на самом деле, это наиболее сложный этап в разработке любой новой конструкции. Это намного больше, чем половина успеха. Можно иметь недостаток знаний — завтра вы сможете их приобрести. Можно иметь недостаток умения — каждая следующая конструкция прибавит в вашу копилку умений что-то новое.

Но если у цас с вами нет железной воли во что бы то ни стало довести конструкцию до логического конца, — нас не спасут ни умения, не знания. И самое страшное — каждая не сделанная, не доведенная до ума конструкция будет забирать по маленькому кусочку от вашей воли. Каждое брошенное устройство будет мстить нам с вами за свою бесславную кончину, лишая нас творческих сил.

Нет-нет, мы с вами вовсе не лишимся способности повторить что-то сделанное другими. Но вот творить свое — этот путь потихоньку окажется для нас закрытым. И будут вечно пылиться разложенные по баночкам детали ваших будущих великих конструкций, которые вы уже никогда не сделаете. Знакомая картина, не правда ли? Вспомните, насколько часто в Интернете на специализированных форумах появляются темы «Собираюсь сделать такую-то суперконструкцию». И дальше идет перечень схемно-технических решений покруче, которые в ней непременно будут реализованы, список идей, которые будут обязательно в нее заложены, развивается бурная дискуссия, советы бывалых сыплются как из рога изобилия, два-три дня активного обсуждения — и тишина… Вспомните, часто ли вам встречалось, чтобы через полгода-год автор темы отписался бы «ура, вот что у меня получилось», с фотографиями и/или схемами в качестве иллюстраций? Нет, такого не случается почти никогда. Как правило, такая тема — всего-навсего некролог по так и не родившейся конструкции.

Что же в такой ситуации делать? А делать в такой ситуации можно только одно — стиснуть зубы, и, переступая через самого себя, продолжать идти вперед. Только в голливудских фильмах человек за полтора часа может стать чемпионом мира по рестлингу или супергонщиком «Формулы-1».

Серьезную конструкцию иногда приходится «доводить» до рабочего варианта месяцами. Сделать такое на голом энтузиазме — невозможно, он за это время трижды умрет! Энтузиазм может послужить только начальным толчком, как твердотопливные ускорители служат для первоначального разгона самолета. Дальше наш «самолет» должен лететь на совсем другом «горючем» — на железной воле довести дело до конца, и если этого «горючего» не хватит — гибель его неизбежна.

Итак, после такого грустного отступления, что же нам нужно сделать для того, чтобы запихнуть блок питания внутрь шасси? Ответ здесь вполне очевиден — перейти на SMD-компоненты.

Вариант «Омега»

Проектирование печатной платы под SMD-компоненты весьма отличается от проектирования печатных плат под навесные элементы. И самое заметное отличие здесь — охлаждение компонент. Если в обычной конструкции мы можем прикрутить любой сильно греющийся полупроводник на радиатор, «прикрутить» таким же образом SMD-компоненты просто некуда. Единственным «радиатором» для SMD-компонента может быть только сама печатная плата, для чего на ней нужно предусмотреть большие участки фольги. Теплопроводность ее не Бог весть какая, но в принципе медная фольга достаточно эффективна. Второй же способ охладить SMD-компоненты — принудительный обдув.

Применим в нашей конструкции оба способа — принудительный обдув и радиаторы в виде участков медной фольги. Самыми горячими компонентами у нас до сих пор были ключевой транзистор корректора мощности и выпрямительный диод напряжения накала. И если с транзистором, как кажется, сделать уже ничего практически нельзя, то для выпрямительных диодов у нас есть еще одно схемно-техническое решение — синхронный выпрямитель.

Идея синхронного выпрямителя проста — заменить полупроводниковые диоды полевыми транзисторами. Та же самая идея, как замена биполярных транзисторов на полевые — падение напряжение на полевом транзисторе гораздо меньше, чем на p-n-переходе биполярного. Итак, с учетом доработки, наша схема будет выглядеть вот так (рис. 8.18)

Рис. 8.18. Окончательный вариант схемы блок питания

А вот так, с учетом всех доработок, будет выглядеть схема стабилизатора напряжения накала.

Остается добавить еще немного — фото готового блока питания и стабилизатора напряжения накала (рис. 8.20 и рис. 8.21).

Рис. 8.19. Окончательный вариант стабилизатора напряжения накала

Рис. 8.20. Внешний вид блока питания:

а — вид со стороны деталей, б — вид со стороны монтажа

Рис. 8.21. Внешний вид стабилизатора напряжения накала:

а — вид со стороны деталей, б — вид со стороны монтажа

Можно ли было сделать это все иначе?

Ответ — почти наверняка можно! Каждый автор идет к своей будущей конструкции своим собственным путем. И путь этот зависит от множества самых различных факторов. Опытен ли автор или пытается сделать лишь первые шаги в самостоятельном творчестве? Может ли он щедро потратиться на детали или вынужден экономить на каждом резисторе? Есть ли у него доступ к хорошим измерительным приборам или он вынужден отлаживать конструкции почти вслепую?

Нравится ли ему большая солидная конструкция или он предпочитает миниатюрные устройства? Есть ли у него дома компьютер, и умеет ли он программировать? И тысячи, тысячи других «если», которые у каждого автора свои.

Именно из этой, уникальной для каждого автора комбинации всех этих «если» и рождается, в конце концов, то, что можно назвать авторским почерком, когда один взгляд на конструкцию позволяет сразу определить, кто ее создал. Не следует думать, что сделанное нами — непременно шедевр (хотя, впрочем, иногда случается и такое, как произошло это много лет назад с культовым трансивером UW3DI), но все равно любой творец вправе гордиться своим творением.

Что же дальше? А дальше — дальше все зависит от самого автора конструкции, уважаемый читатель. Ограничится ли он тем, что изготовит один экземпляр устройства, или же захочет поделиться им с другими радиолюбителями? Выложит ли на свой сайтик фото с приписочкой «схему — за отдельные деньги» или карами за нарушение авторских прав? Намалюет ли он схему на листке туалетной бумаги или не поленится вычертить ее в хоть каком-то редакторе? Подготовит ли вполне приличную статью, или «креатифф», после которого остается больше вопросов, чем ответов (причем главным вопросом будет «зачем было это писать?»). На эти вопросы каждый из вас теперь должен ответить сам.

Несколько слов в заключение

Ну вот, уважаемый читатель, мы с вами попытались одолеть самое начало пути в электронику. Возможно, кому-то и эти семь шагов оказались непосильной задачей — ничего плохого в этом нет, дорог на свете тысячи, просто именно эта дорога оказалась не для Вас. Если же Вы не только прошли этот короткий путь, но и рветесь дальше — возможно, это будет, как принято выражаться, ваша «дорога длиною в жизнь». И нам останется только пожелать вам счастливого пути.

Успехов, уважаемый читатель!

ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ

Простой терморегулятор для паяльника

Отличительная особенность этого терморегулятора — он полностью размещен в вилке паяльника! Схема устройства приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема терморегулятора для паяльника

Путь прохождения тока паяльника различен для разных полуволн сетевого напряжения: положительная полуволна проходит через диод VD2, отрицательная — через оптосимистор HL1. Резисторы R2, R* (нагреватель паяльника), R4, R5 и R6 образуют мост, в диагональ которого включен транзистор VT1. Измерение сопротивления нагревателя происходит только на положительных полуволнах сетевого напряжения. Если паяльник холодный, сопротивление нагревательного элемента мало, мост разбалансирован, и через цепочку VT1, VD2 заряжается конденсатор С1. Напряжение на нем достаточно для открывания оптосимистора HL1. Паяльник нагревается полным током. По мере его нагрева сопротивление нагревательного элемента паяльника увеличивается, мост приходит в состояние баланса, в результате чего транзистор VT1 закрывается. Напряжение на конденсаторе С1 падает ниже напряжения открывания оптосимистора. Паяльник оказывается подключенным к сети только на положительных полуволнах напряжения, в результате чего выделяемая на нем мощность уменьшается вдвое, что, как показывает практика, вполне достаточно для регулирования температуры. Благодаря применению моста устройство поддерживает стабильную температуру жала независимо от колебания напряжения сети и интенсивности пайки.

В конструкции применены резисторы для поверхностного монтажа типоразмера 0805, кроме R2 — типа МЛТ-0,5. Конденсатор С1 — танталовый для поверхностного монтажа. Транзисторы VT1 и VT2 можно заменить любыми маломощными n-р-n с допустимым 1К не менее 100 мА и как можно большим Вст. Диод VD1 можно заменить любым, рассчитанным на номинальный ток нагрузки и обратное напряжение не менее 400 В. В качестве переменного резистора регулятора температуры R6 автором применен импортный подстроечный резистор с полиэтиленовым шлицом (что позволило обойтись без ручки настройки), но его можно заменить любым, подходящим по габаритам. Светодиод — любой видимого спектра.

Устройство собрано на печатной плате диаметром 33,75 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с частично срезанным сегментом. Чертеж печатной платы в зеркальном изображении приведен на рис. 9.2 (он также есть на прилагаемом диске в разделе «Приложения», файл trp.dxf), схема расположения элементов — на рис. 9.3, внешний вид — рис. 9.4.

Рис. 9.2. Разводка платы (в зеркальном изображении)

Рис. 9.3. Схема расположение деталей терморегулятора

Рис. 9.4. Внешний вид терморегулятора

Светодиод HL1 и резистор R6 установлены на плате со стороны монтажа. На печатной плате необходимо высверлить 3 отверстия диаметром 4,5 мм — под винт крепления и ножки вилки. Резистор R2 необходимо припаять на длинных выводах — так, чтобы под ним можно было пропустить провода, идущие к паяльнику.

Правильно собранное устройство налаживания не требует, но обычно требуется подбор резистора R4 под конкретный паяльник — его величина должна быть такой, чтобы с «нормально» нагретым паяльником точка выключения светодиода VD2 находилась примерно в среднем положении движка R6. Для «ходового» паяльника мощностью 25 Вт его сопротивление ориентировочно равно 16 кОм.

Способ быстрой пайки SMD-компонент

Основой этого способа является паяльная паста «Нетрамм» (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Паяльная паста «Нетрамм»

Она представляет собой смесь порошка припоя с вязким водорастворимым флюсом.

Последовательность действий по быстрой пайке следующая.

Слой пасты должен быть такой, чтобы сквозь него были видны все дорожки, иначе Вам просто не удастся разложить детали по нужным местам. В пасту обязательно следует капнуть немного воды — она не должна быть липкой. Важный момент — отверстия в плате сверлить нельзя! Это нужно будет сделать после пайки. Также плату не нужно зачищать шкуркой после травления — флюс очень плохо отмывается с царапин на поверхности стеклотекстолита.

Не все так просто! Во-первых, плату нельзя класть на утюг непосредственно — она просто-напросто сгорит. Необходимо положить на поверхность утюга четыре ненужных SMD-резистора (автор обычно использует типоразмер 1206), а уж на них — плату с разложенными деталями. Если плата односторонняя (в большинстве случаев так оно и есть), лучше делать ее из двухстороннего стеклотекстолита, оставив нетронутой фольгу на верхней ее стороне — это обеспечит более равномерный нагрев, а после пайки фольгу можно будет просто удалить. Терморегулятор утюга необходимо поставить в «максимально горячее» положение. Если все сделано правильно, то после прогрева платы паяльная паста расплавится и практически за 10–20 секунд Вы получите готовую, полностью спаянную плату (на фото как раз виден момент, когда паста начинает плавиться).

Плату после пайки обязательно нужно отмыть, во-первых, от мелких шариков припоя (они хорошо видны на предыдущем фото), и, во-вторых, от остатков флюса. Плату лучше всего мыть так:

♦ сначала вымыть жесткой зубной щеткой со средством для мытья посуды;

♦ затем прокипятить 3–5 минут с небольшим количеством средства для чистки газовых плит;

♦ затем снова вымыть жесткой зубной щеткой со средством для мытья посуды.

Рис. 9.6. Вначале на бумаге раскладываем необходимые детали по будущим местам пайки

Рис. 9.7. Затем намазываем пастой печатную плату

Рис. 9.8. Перекладываем детали с бумаги на плату по нужным местам

Рис. 9.9. Кладем плату на утюг и включаем его

Рис. 9.10. Моем плату

ОПИСАНИЕ КОМПАКТ-ДИСКА

Структура папок на сопроводительном компакт-диске книги соответствует ссылкам на файлы и ролики, приведенные в тексте книги. Названия видеоуроков соответствуют названиям глав в книге.

Шаг первый.

Видеоурок «Бегущие огни»

1.dxf— разводка печатной платы «бегущих огней» на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы «бегущих огней» на микроконтроллере (формат *.dxf, зеркальное изображение)

SOFT — папка проекта WinAVR с управляющей программой для «бегущих огней» на микроконтроллере

Бегущие огни на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Бегущие огни на микроконтроллере. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Бегущие огни на электромагнитных реле. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг второй.

Видеоурок «Светодинамическая установка»

1.dxf— разводка печатной платы СДУ на транзисторах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы СДУ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

СДУ на транзисторах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

СДУ на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг третий.

Видеоурок «Усилитель низкой частоты»

1.dxf — разводка печатной платы первого УНЧ на транзисторах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы второго УНЧ на транзисторах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

3.dxf — разводка печатной платы первого УНЧ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

4.dxf — разводка печатной платы второго УНЧ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

Первый УНЧ на транзисторах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Второй УНЧ на транзисторах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Первый УНЧ на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Второй УНЧ на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

УНЧ на лампах. МОV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг четвертый.

Видеоурок «Усилитель класса D»

1.dxf— разводка печатной платы первого усилителя класса D на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы второго усилителя класса D на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

3.dxf— разводка печатной платы усилителя класса D на микроконтроллере (формат *.dxf, зеркальное изображение)

SOFT — папка проекта WinAVR с управляющей программой для усилителя класса D на микроконтроллере

Усилитель класса D на микросхемах. МОV — ролик-видеоурок о конструкции

Усилитель класса D на микроконтроллере. МОV — ролик-видеоурок о конструкции

Усилитель класса D на лампах. МОV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг пятый.

Видеоурок «Система дистанционного управления по ИК»

1.dxf— разводка печатной платы передающей части ИК ДУ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы приемной части ИК ДУ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

3.dxf — разводка печатной платы приемной части ИК ДУ на микроконтроллере (формат *.dxf, зеркальное изображение)

SOFT — папка проекта WinAVR с управляющей программой для приемной части ИК ДУ на микроконтроллере

Система ИК ДУ на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Система ИК ДУ на микроконтроллере. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг шестой.

Видеоурок «Система дистанционного управления по осветительной сети»

1.dxf— разводка печатной платы передающей и приемной части ДУ на транзисторах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf— разводка печатной платы передающей и приемной части ДУ на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

Система ДУ на транзисторах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Система ДУ на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Система ДУ на лампах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Шаг седьмой.

Видеоурок «Преобразователь напряжения»

1.dxf— разводка печатной платы преобразователя на транзисторах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

2.dxf — разводка печатной платы преобразователя на микросхемах (формат *.dxf, зеркальное изображение)

Преобразователь на транзисторах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Преобразователь на микросхемах. MOV — ролик-видеоурок о конструкции

Преобразователь на реле. MOV — ролик-видеоурок о конструкции Приложения:

TRP.dxf — разводка печатной платы терморегулятора для паяльника (формат *.dxf, зеркальное изображение)

Бонус.

Лучшие книги для радиолюбителей издательства «Наука и Техника».

* * *

Content

Черномырдин А.В
"Семь шагов в электронику: Книга + CD"

«ПРИСЯДЕМ, ДРУЗЬЯ, ПЕРЕД ДАЛЬНЕЙ ДОРОГОЙ…»

Шаг 1 «БЕГУЩИЕ ОГНИ»

Шаг 2 СВЕТОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Шаг 3 УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Шаг 4 УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D

Шаг 5 СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ИК

Шаг 6 СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПО ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Шаг 7 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ КУХНЯ

ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ

ОПИСАНИЕ КОМПАКТ-ДИСКА