Использование сетевого адаптера как недорогого изолированного понижающего напряжение устройства
Сетевой адаптер (далее просто адаптер) - это маломощный линейный источник напряжения, который можно недорого приобрести во многих Интернет-магазинах электронных компонентов. Обычная цена источника 12 В мощностью 5 ватт - $ 4-7. Они обеспечивают гальваническую развязку с сетью и понижают напряжение до уровня подходящего практически для всех электронных устройств. Для изготовления хорошего источника постоянного тока вам потребуется еще трехвыводной стабилизатор и 3 конденсатора общей стоимостью $1. Но для аналоговых и смешанных аналого-цифровых устройств часто нужно раздельное питание +/-5 В относительно средней точки.
Часто с помощью нескольких дискретных компонентов удается получить два напряжения относительно искусственной «земли». К сожалению, собрать сбалансированный источник питания для преобразования униполярного напряжения в двухполярное непросто. Нам хотелось бы использовать в качестве «земли» половину напряжения питания. Для этого и предназначена представленная здесь схема. Для деления напряжения и предварительного усиления в схеме я выбрал недорогой интегральный аудиоусилитель. IC2 (смотри схему) имеет внутренний делитель напряжения обеспечивающий на выходе S половину напряжения между выводами 3 и 5. Внутренняя петля отрицательной обратной связи (ООС) обеспечивает такое напряжение на выводе 4 («земля»), чтобы положительное и отрицательное напряжения питания относительно него были одинаковыми. Таким образом она создает так называемую «искусственную землю» на выводе 4.
Это, конечно же, не настоящая земля, но устройство, которое питается от данной схемы, не замечает разницы, так как соотношение напряжения между тремя выходами остается постоянным. Поскольку трансформатор адаптера обеспечивает надежную гальваническую развязку от сети, вывод GND источника питания нельзя заземлять, даже если очень хочется. Но его можно соединить с источником опорного напряжения от другого устройства или источника питания без особого влияния на работу схемы. Всегда опасайтесь высокочастотных наводок, которые могут пройти из сети через межобмоточную емкость сетевого трансформатора в нагрузку.
Это справедливо для любого другого линейного источника питания. С теорией покончено. Практика проще. Во-первых, несколько слов об электрических выводах микросхемы с теплоотводящим корпусом. Обратите внимание, что теплоотвод IC1 НЕ ДОЛЖЕН соединяться с теплоотводом IC2. И он НЕ ДОЛЖЕН соединяться с выводом GND. Для любой даже самой низкой мощности микросхемы IC1 и IC2 должны иметь одинаковые радиаторы. Наверно, легче всего для выходной мощности менее 2 Вт электрически изолировать друг от друга 1 или 2 квадратных дюйма меди на печатной плате для каждой из микросхем. Специальных изоляторов не требуется. Для большей мощности между микросхемами и печатной платой можно подложить стандартный алюминиевый радиатор. Нанесите термопасту на обе контактные площадки. Если вы можете прикоснуться к металлическим частям устройства после 10 минут работы, то теплоотвод достаточный. А если температура выше 70 градусов, то вам нужен больший теплоотвод.
Помните, что когда вы помещаете печатную плату в закрытый корпус, поток охлаждающего воздуха сильно уменьшается. Так что не заблуждайтесь низкой температурой во время тестирования печатной платы, если источник питания будет потом находиться в замкнутом пространстве без принудительного воздушного охлаждения. Если использовать электрические изоляторы под ОБЕИМИ микросхемами, их можно для лучшего теплоотвода поместить на стенки корпуса. Если напряжение источника при нагрузке «прыгает», что микросхема перегрета, и у нее срабатывает тепловая защита. В таком случае обязательно увеличьте площадь теплоотвода. Такой режим работы вреден микросхеме. Выбор компонентов очевиден.
Для С1 и С6 используются электролитические конденсаторы в алюминиевом корпусе. С2, 3, 4 и 5 танталовые. Конечно, лучше использовать тантал и для С1 и С6. Но это дорого. Вы можете использовать алюминиевые электролиты и для 10 мкФ, но нужно запараллелить его керамическим конденсатором 0,1 мкФ, с напряжением 20 В или выше. Большинство DC адаптеров имеют внутренний фильтрующий конденсатор большой емкости (обозначенный как «?»). Если пульсации выходного напряжения адаптера оказываются в пределах допустимого, то из схемы можно исключить С1. НО большинство адаптеров печально известны применением компонентов плохого качества.
При работе на полную мощность внутренний электролитический конденсатор адаптера быстро деградирует за счет изменения емкости с ростом температуры. Так что в качестве С1 берите как минимум 200-500 мкФ, чтобы общая емкость соответствовала спецификации выходного напряжения, особенно в случае мощной нагрузки. Микросхема IC1 была выбрана потому, что у нее относительно низкое внутреннее падение напряжении, что позволяет получить при 12 В питании 10 В на выходе при максимальном токе 1 А. Если вам нужен более слабый ток, например, 100 мА и менее, и вдобавок напряжение адаптера будет выше 13,5 В при максимальной просадке, можно применить 3-выводной стабилизатор с максимальным падением 3 В.
Если вы купите адаптер с более высоким напряжением чем нужно, вы получите большее напряжение на входе микросхемы IC1, что приведет к большей рассеиваемой мощности микросхемы. Рассеиваемая мощность рассчитывается как произведение тока на падение напряжения на микросхеме. Например, при входном напряжении 16 В и выходном 10 В, а также токе 500 мА, рассеиваемая мощность будет 3 Вт (16 В - 10 В = 6 В, 6 В x 0,5 A = 3,0 Вт). Если вы не хотите добавлять теплоотвод, то лучше взять адаптер с 12 или 13 В.
Так что меньший теплоотвод - это еще один повод в пользу стабилизатора с низким падением напряжения, если вам нужно +/- 5 В выходного напряжения. Рассуждение выше относится ТОЛЬКО к источникам питания высокого класса, обеспечивающим 8 Вт мощности для +/-5 В на выходе. Вот и все. Помните, что мощность I*V рассеивается на стабилизаторе в виде ТЕПЛОТЫ и должна куда-то отводиться. Дайте ей выход :)
