Блок питания для РА, выполненного на МОП-транзисторах

William E. Sabin, W0IYH. Оригинал статьи опубликован в журнале QEX, March/April 1999, pp. 50...54

    

Полевые МОП транзисторы, рассчитанные на работу при средних напряжениях питания, становятся доступными и недорогими. Они позволяют получать приличные мощности, но, вот, блоки питания для них на напряжения 40…50 В, встречаются  редко. Здесь описывается один из таких блоков, рассчитанных для питания усилителя с выходной мощностью 120 Вт.

    В качестве составной части для широкополосного РА на МОП транзисторах с выходной мощностью 120 Вт, для получения хороших интермодуляционных характеристик (высокой линейности – UA9LAQ) в КВ диапазоне (1,8…29,7 МГц), мне потребовался хороший блок питания с выходным стабилизированным напряжением 40 В при токе нагрузки 8 А, с возможностью увеличения выходного  напряжения до 50 В при токе 7 А. Блок питания должен был иметь защиту от перегрузки по току, от увеличения напряжения и короткого замыкания. МОП транзисторы выходного каскада РА должны быть надёжно защищены от повреждения. Сознавая важность поставленных задач, я взялся за разработку блока.

    Я не стал пользоваться имеющимися схемами блоков питания промышленного изготовления, потому, что, во-первых, они, как правило рассчитаны на выходное напряжение 12 и 24 В, во-вторых, применяемые там компоненты не выдерживают напряжений в 40…50 В [ 1 ]. Вот так и появилась схема, приведённая на Fig. 1, которая удовлетворила все выше изложенные требования и пригодна для применения с подобной РА (усилителю мощности) аппаратурой. Эта схема очень похожа на простую схему, выполненную на дискретных элементах, бывшую в ходу много лет (посмотрите, например, справочник ARRL за 1971 год), в схему были внесены некоторые улучшения,  и неплохо было бы их обсудить, прежде, чем схема станет руководством к действию.

  Силовой  трансформатор был специально рассчитан  и сделан Ronald’oм Williams’ом, W9YZ [ 2 ], это был трансформатор модели AV-574. Трансформатор рассчитан на применение в сети переменного тока частотой 60 Гц, его первичная обмотка имеет отводы на 112, 117 и 122 В, вторичная – рассчитана на напряжение 36 В и ток 8 А. Выпрямленное напряжение, без нагрузки, составляет чуть более 52 В. Я не мог найти трансформатора с такими характеристиками ни в одном из доступных мне каталогов (нас ведут к тому же: обмоточный провод для намотки самодельного трансформатора, порой стоит уже дороже готового трансформатора, нужный трансформатор, однако, найти довольно сложно - UA9LAQ). Этот трансформатор хорошо подходит для этого проекта и я, настоятельно, всем советую применить такой. В принципе, трансформаторы, работающие на выпрямитель с ёмкостной нагрузкой (первый конденсатор сглаживающего фильтра) должны иметь запас по средне-квадратичному (RMS) значению тока, в нашем случае, быть рассчитанными немного больше, чем на 8 А, для получения на выходе постоянного тока в 8 А. Нагрев трансформатора не превышает допустимых значений и обычен для любительской аппаратуры, так что, большой запас (хоть он и не  мешает) делать не обязательно, тем более, что от этого страдают и массо-габаритные характеристики блока питания.

   Хотя полевые транзисторы, используемые в моём РА, рассчитаны на работу при напряжении питания до 50 В, я использую только 40 В, для подстраховки - с запасом. При этом легко получается 120 вт выходной мощности при низком уровне искажений. Этот неперестраиваемый РА может быть использован для работы на антенну или для раскачки более мощного, например, на лампе, усилителя - по схеме с заземлённой сеткой.

 

 Fig. 1. Блок питания для  РА на МОП транзисторах. Схема принципиальная электрическая. Если специально не указано, то используйте резисторы с мощностью рассеяния 0,25 Вт с допуском 5% углеродные или плёночные.  RS = Radio Shack - номер детали.

 

Спецификация на детали к блоку питания

 

 

Описание схемы

  На Fig. 1 транзистор Q1 управляет по базам транзисторами Q2...Q5, включенными параллельно. Выходное напряжение (24…40 В - устанавливается) делится делителем на резисторах R1, R3 и подаётся в цепь базы транзистора Q6. Это напряжение сравнивается с высокостабильным, освобождённым от фона (сглаженным) напряжением 17 В, поступающим с интегрального стабилизатора LM317 на эмиттер транзистора Q6. А коллектор Q6 управляет цепью базы транзистора Q1. “Круг”(петля регулирования стабилизатора) замкнулся. LM317 не может “выдерживать” по входу “полные” 50 В, поэтому мощный стабилитрон (5 Вт) D7 “гасит” 22 В.

 Ограничение тока осуществляется транзистором Q7. Когда ток достигнет значения в 8 А, падение напряжения на резисторах R4 и R5 откроет Q7. А он уменьшит напряжение на базе Q1, ограничивая, таким образом, токи через транзисторы

 

Fig. 2. Диаграмма зоны надёжной работы (ЗНР) транзистора 2N3772.

 

Q2...Q5, значением, не превышающим этих 8 А, также начнёт снижаться выходное напряжение. Диоды D2 и D3 ограничивают действующий ток базы Q7 до безопасной величины. Эта схема также обладает обратной связью. Постоянный по величине ток в 6 мА протекает через резисторы R6 и R7. Этот ток определяется Q8, R8 и 17-вольтовым источником образцового напряжения. Если выходное напряжение упадёт до 17 В, или будет около того, диод D4 запрётся. Ток короткого замыкания быстро уменьшится до величины примерно 4 А, поскольку на резисторах R6 и R7  не будет больше падения напряжения. Постоянная величина протекающего тока в 6 мА надёжно обеспечивает то, что ограничение тока и обратная связь будут работать одинаково как при 24 В, так и  при 40 В.

  Это - повод для применения установочного (от 24 до 40 В) подстроечного резистора. Разрабатывая  РА, погоняйте его напряжение питания (больше - меньше) на разных частотах, чтобы проверить его на паразитную генерацию или ещё какие неприятности, которых можно от его (усилителя) ожидать [ 3, 4]. В новой разработке мы значительно поднимем напряжение и посмотрим на то, что может повлиять на МОП транзисторы или перегреть их.

  Проблема появляется в цепи коллектора транзистора Q6, если не установлен диод D1. Если выходное напряжение опустится ниже 17 В, то опорное напряжение пройдёт через диод D5 на базу Q6 и через прямосмещённый теперь переход база-коллектор. Напряжение на коллекторе, таким образом, будет ограничено величиной 17 В, что выключит схему защиты от к. з. Это приводит к повреждению одного или нескольких транзисторов (Q1...Q7), так что, диод D1 является нужным, “критическим” компонентом. Диод D4 необходим по этой же причине. Диод D5 предотвращает обратное смещение перехода эмиттер-база Q6, которое не

 

 

Fig. 3. Внешний вид блока питания. Переключатель напряжения по первичной обмотке Т1 расположен на левой стенке шасси. Правильно ориентируйте радиатор: поток воздуха должен идти снизу вверх, Предохранитель по переменному току расположен слева от предохранителя по постоянному току на передней стенке шасси БП.

 

рекомендуется производителями транзисторов. (Пробивное напряжение обратного смещения эмиттер - база  небольшое, примерно 5 В – Примечание редактора журнала). Этот блок питания, действительно, - “зверь”, а вот транзисторы MPS2222А - слабенькие и поэтому нуждаются в надёжной защите.

   Смысл в использовании необычно большого опорного напряжения в 17 В объясняется тем, что, в этом случае, уменьшается девиация падения напряжения на резисторе R1 из-за протекания тока через резистор R3. А это позволяет увеличить усиление в петле стабилизатора. Высокое опорное напряжение уменьшает также напряжение на переходе коллектор-эмиттер транзисторов Q6 и Q8 и рассеяние мощности в микросхеме U2. Сверхвысокий коэффициент стабилизации в этой схеме не нужен (поскольку стабилизатор предназначен для питания РА), но таковой достаточно высок. Флуктуации выходного напряжения стабилизатора на зависимой от голоса нагрузке (работа, например, на SSB) практически полностью исключены петлёй стабилизатора, работающей в широкой полосе частот. Конденсатор С5 и комбинация резисторов R4, R5 с выходным сопротивлением транзисторов Q2...Q5 помогают установить полосу пропускания в открытой петле, но С5 не является хорошим развязывающим по РЧ компонентом, поэтому, для устранения возможного самовозбуждения, применён дополнительный развязывающий конденсатор С6. Q9, D8, D9, R9, R10 предотвращают чрезмерное повышение выходного напряжения стабилизатора. Если, по какой-то причине выходное напряжение достигнет величины в 47 В, тиристор откроется и

 

 

Fig. 4. Вид под шасси блока питания. Белый провод от анода тиристора Q9 (корпус ТО-220, центральный вывод) над платой, затем, под платой, уходит прямо к держателю предохранителя. R18 присоединён непосредственно между базой и коллектором Q1 (слева на фото). Слева внизу платы видны белые блоки резисторов R4 и R5, они расположены на некотором расстоянии от платы – греются.

 

сгорит 10-амперный предохранитель. Этим вся постояннотоковая часть схемы будет моментально отключена. Величина сопротивления резистора R10 подбирается экспериментально, по надёжному отключению стабилизатора при  достижении выходным его напряжением уровня в 47 В. В то же время диод D6 обеспечивает короткое замыкание на корпус через тиристор Q9, который быстро разряжает конденсатор С5 и возможные, находящиеся в РА. D6 также предотвращает несанкционированную проводимость транзисторов Q1...Q5, которая может повредить последние.

  Факт относительно Q1...Q5 интересен: у популярного транзистора 2N3055 пробивное напряжение 60 В, так что он не подходит по надёжности. У транзисторов 2N3773 – пробивное напряжение уже 140 В, а стоит он всего на 1 доллар дороже предыдущего. Особого внимания заслуживает, так называемая, зона надёжной работы (ЗНР = англ. SOAR) этих транзисторов. Воспользовавшись техдокументацией, взятой с сайта  фирмы Motorola http://www.mot.com, мы получили упрощённую диаграмму для ЗНР  по постоянному току (Fig. 2). При напряжении коллектор-эмиттер равном 50 В, соответствующем короткому замыканию в нагрузке, нежелательным оказывается протекание тока в 2 А по каждому из четырёх транзисторов (вспомним, ток стабилизатора ограничен величиной 8 А – UA9LAQ) –

  

 

Fig. 5. Эскиз монтажной платы блока питания (стабилизатора) помогает идентифицировать компоненты на Fig. 4.

 

показано на диаграмме как точка Х. Обратная связь уменьшает этот ток до 1 А на транзистор (точка Y), это положение - куда надёжнее, чем первое. Уменьшение тока происходит в действительности и надёжно повторяется при очередном К.З. Задача радиатора, в случае возникновения К.З., заключается в способности поддерживать температуру корпусов транзисторов Q2....Q5 на уровне не выше 60 градусов Цельсия [ 5 ], поскольку высокая температура значительно уменьшает ЗНР, как видно из техдокументации на транзисторы. Обратная связь, и в этом случае, оказывает неоценимую услугу. Обратная связь, уменьшая ток короткого замыкания, уменьшает и нагрев силового трансформатора, если состояние короткого замыкания затянется надолго. Встаёт вопрос, почему бы, не использовать меньший по размерам радиатор и ещё уменьшить ток короткого замыкания? Я решил, что при любом эксперименте, проводимом мной при 24 В и токе 8 А, радиатор должен рассеивать (52 В – 24 В) х 8 А = 224 Вт (по 56 Вт на каждый из включенных параллельно транзисторов), так что и рекомендую “большой” радиатор (чего уж там какая-то мелочь ток К.З. в 1 А и рассеиваемая мощность в 28 Вт (Hi!) – UA9LAQ). Что ж увеличение рассеиваемой мощности на регулирующем транзисторе (транзисторах), при увеличении тока нагрузки, это – недостаток стабилизаторов напряжения последовательного типа.
 

Конструкция

   На Fig. 3 и Fig. 4 можно видеть конструкцию блока питания подетально. Размеры шасси: 9 х 7 х 2 дюйма (226,8 х 176,4 х 50,4 мм). Для предотвращения случайностей необходимо наличие нижней защитной крышки, внутри оклеенной изоляционным материалом, к ней можно приклеить снизу и резиновые опорные ножки. Печатная плата содержит низковольтную часть схемы как видно из Fig. 1. Я “пришпилил” её с помощью двух винтов крепления трансформатора Т1, можно закрепить плату и другим способом. Особое внимание нужно уделить общему проводу (достаточное сечение, короткие провода, надёжное соединение с корпусом, если таковое предусмотрено – UA9LAQ). Очень важно, чтобы провод от F2 был напрямую соединён с анодом тиристора Q9, а не через фольгу дорожки печатной платы. Печатная дорожка не выдержит тока сжигающего 10 А предохранитель. Это показано на Fig. 4. Печатную плату можно приобрести в FAR Curcuits [ 6 ]. Для переключения отводов первичной обмотки силового трансформатора Т1 под действующее в сети переменного тока напряжение можно установить переключатель, который, однако, не следует переключать, не отключив Т1 от сети, во избежание подгорания контактов переключателя. Конденсатор С1 запасает много энергии: (53 В)^2 ·(17000 мкФ) · (0,5) = 23,9 Дж. Этой энергии достаточно, чтобы, при случайной разрядке конденсатора, произвести громкий хлопок и сжечь любую деталь (могут разлетаться фрагменты металла - берегите глаза! – UA9LAQ). Диоды выпрямительного моста должны быть рассчитаны на обратное рабочее напряжение не менее 100 В. Чтобы быстро разрядить конденсатор после выключения напряжения питания блока, замкните его выходные зажимы накоротко. Ток будет ограничен величиной в 4 А и конденсатор С1 довольно быстро (но плавно) разрядится. С1 крепится выводными винтами на плате из изоляционного материала размерами 2 1/2 х 2 1/2  дюйма (63 х 63 мм). Оба вывода изолированы от общего провода большими отверстиями, просверленными в шасси. В качестве R1, R3, R8, R11 и R12  рекомендуется применять металлоплёночные резисторы с допуском 1%. В качестве R2 должен использоваться высококачественный потенциометр с мощностью рассеяния не менее 2 Вт. R6, R7 и R18  должны быть подобраны так, чтобы их номиналы различались не более, чем на 5% или использовать таковые из ряда металлоплёночных с допуском 1% без подбора.

 Радиатор для Q2...Q5 типа  Wakefield 441K (при монтаже используйте слюдяные шайбы-прокладки). Использовать что-то более миниатюрное не рекомендуется по причинам, изложенным выше. R13...R16 и D6 также смонтированы на этом радиаторе с использованием хомутов или изоляционных стоек. Обратите внимание на правильную ориентацию радиатора: конвекционный поток воздуха должен входить через нижнюю часть радиатора и устремляться вверх, охлаждая его. Транзистор Q1 смонтирован на радиаторе типа Wakefield 621A также с использованием слюдяных шайб – прокладок. Для монтажа мощных проводящих линий, показанных на Fig. 1, использован провод #12. На Fig. 4 показан способ заделки (пайки) этих проводов в печатную плату. R4 и  R5 должны быть смонтированы на расстоянии в 1/8 дюйма (3 мм) от платы, поскольку нагреваются. Ток фона (пульсаций) к конденсатору С1 не должен протекать через шасси, должен быть заземлён на шасси единственной индивидуальной точкой с помощью лепестка, в монтажном узле, как показано на Fig. 1. Конденсатор С5 установлен непосредственно между отрицательным и положительным монтажными узлами, а резистор R1 установлен в непосредственной близости от положительного монтажного узла. Трёхпроводный соединительный сетевой шнур имеет в своём составе провод с изоляцией зелёного цвета, соедините этот провод с шасси блока питания, во избежание неприятностей. Все высоковольтные цепи должны быть тщательно изолированы. Вторичное напряжение в 50…55 В, применяемое в данном блоке питания, уже может представлять опасность. Мы привыкли “совать руки” в наши транзисторные конструкции и “ковыряться” в них под напряжением. С этой конструкцией такие “шутки” не проходят. Подбор сопротивления резистора R10 осуществляется следующим образом: присоедините резистор сопротивлением 10 кОм параллельно резистору R3, чтобы выходное напряжение стабилизатора могло быть повышено подстроечным резистором R2 до, примерно, 47 В. Подберите величину сопротивления резистора R10 так, чтобы 10 А предохранитель F2 не сгорал при выходных напряжениях стабилизатора до 47 В. Затем удалите дополнительно установленный резистор 10 кОм. Применять при подборе R10 подстроечные резисторы не рекомендуется.

  Перед включением блока в сеть, самым тщательным образом всё проверьте с помощью омметра, устраните все замыкания, детали должны быть исправны, а монтаж должен соответствовать принципиальной схеме… Первое включение лучше провести с регулируемым сетевым автотрансформатором (ЛАТРом), если таковой имеется. Наблюдайте за ростом выходного напряжения блока питания при его регулировке. Убедитесь, что резистор R2 работает надёжно. Следующим шагом будет максимальная нагрузка блока питания, так чтобы ток, потребляемый от стабилизатора, был, порядка, 8 А. Проверьте, как работает функция ограничения стабилизатором максимального тока. Затем, замкните накоротко выводы стабилизатора и измерьте ток короткого замыкания. Его величина должна составлять 4 А.

 

Вариант стабилизатора с выходным напряжением 50 В

   Описанный здесь блок питания может быть модернизирован под выходное напряжение 30…50 В. Avatar [ 2 ] может поставить (выслать) трансформатор c выходным напряжением 45 В и током 7 А. Ёмкость конденсатора С1 должна составить 10000 мкФ на рабочее напряжение 100 В; 70 В - сильно снижают надёжность блока. Стабилитроны (диоды Зенера) D7  и D8 (но не D9) должны быть рассчитаны на 30 В (1N5363B). Опорное напряжение должно составлять 25 В (R11 = 1180 Ом, допуск 1%) для того, чтобы Q6 и Q8 продолжали “чувствовать себя” хорошо при своих технических допусках. При выходных напряжениях от 30 до 50 В, R1 = 1,25 кОм и R3 = 3,75 кОм, при опорном напряжении 25 В и, если R2 = 2,5 кОм. Тиристор Q9 должен срабатывать при напряжении, примерно, 55 В.

 

 Примечания: 1. Производится чип высоковольтного стабилизатора с регулируемым

               выходным напряжением, но его очень трудно достать, по мне не

               понятным причинам. Подождите годик – другой, может быть

               появится в продаже.

             2. Avatar Magnetics, 240 Tamara Tr., Indianapolis, IN, 46217. Связь по  

               почте (письмами).

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

               1993.

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

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

               (Crestone), 1998.

             5. Посмотрите в “современном” Справочнике ARRL  за любой год

               раздел о блоках питания и дискуссию о применении радиаторов.

6.      FAR Curcuits продаёт печатные платы под этот проект по цене 8

   долларов плюс 1,5 доллара - накладные расходы. За

   дополнительную плату в 3 доллара произвести расчет  можно с

   кредитной карточки. Их адрес: FAR Curcuits, 18N640 Field Ct, Dundee,

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

  

Свободный перевод с английского:      Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень          январь, 2003 г