В статье описан двуполярный источник питания (ИП) с регулировкой выходного напряжения (±3 В – ±15 В) и ограничения тока (20 мА – 1 А) с индикацией перегрузки на базе двух мощных аудио ОУ LM1875T, регулируемого стабилизатора L200 и ОУ MC33074. Рассмотрено самостоятельное применение устройств, входящих в состав ИП (стабилизатор +34 В и формирователь искусственной «земли») и сконструированных на ОУ LM1875T. Приведены принципиальнее схемы, разводка плат и внешний вид устройства.
Введение
Аудио ОУ LM1875T, разработанный компанией National Semiconductor более 20 лет назад (существует, например, справочный листок, датированный 1999 г.), сейчас выпускается уже под маркой компании Texas Instruments, в которую в свое время вошла компания National Semiconductor. В связи с тем, что интерес, а значит и спрос на LM1875T уже давно упал, а также с тем, что за такое большое время выпущено огромное их количество еще под маркой National Semiconductor, стоимость этой микросхемы уникально низка: сейчас LM1875T можно приобрести за смехотворную цену – менее 60 руб./шт., а в партии из 5 штук – еще дешевле. Хотя ОУ LM1875T в основном предназначен для аудио применений (как правило, для УМЗЧ небольшой мощности – до 20 Вт), его свойств как ОУ никто не отменял. А свойства эти достаточно приличны: его выходной ток может достигать 4 А, а напряжение питания – до 60 В. Микросхема имеет защиту от превышения тока (4 А) и от перегрева. Кроме того, она достаточно широкополосна (200 кГц и выше). Коэффициент подавления пульсаций напряжения источника питания (Power Supply Rejection Ratio – PSRR) у LM1875T достигает 80 дБ, или, другими словами, она подавляет такую пульсацию в 10000 раз и более. Стандартные мощные ОУ, например, L165 и LM675 с максимальным током в 3 А стоят в несколько раз дороже LM1875T, а стоимость OPA544 (4 A) может достигать 1.5 – 2 тыс. руб.
Высокие технические показатели ОУ LM1875T и его уникально низкая цена натолкнули автора на идею: а нельзя ли использовать эту микросхему в других, не связанных с аудио, приложениях?
Так, например, на основе LM1875T можно легко получить высоковольтный (до 60 В) стабилизатор напряжения, который существенно превосходит разработанный компанией Fairchild высоковольтный стабилизатор LM317HV (сейчас он также выпускается под маркой Texas Instruments) как по току (4 А против 1 А у LM317HV), так и по стоимости (60 руб. против 190 руб. для LM317HV). Более подробно о таком стабилизаторе – см. далее.
Кроме того, на основе LM1875T легко получить мощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное, или, другими словами, – формирователь искусственной «земли». Подобный формирователь автор использовал для формирования искусственной «земли» при однополярном питании УМЗЧ на базе двух мощных ОУ LM3886, включенных в мостовом режиме работы – см. далее.
Оба этих применения LM1875T автор использовал в описанном далее двуполярном ИП с регулируемым выходным напряжением (от ±3 В до ±15 В) и регулируемым порогом ограничения выходного тока (от 20 мА до 1 А), при превышении которого ток больше не увеличивается (несмотря на, например, снижение сопротивления нагрузки вплоть до короткого замыкания). Кроме того, сам факт наступления события ограничения тока индицируется с помощью светодиода. Такой ИП существенно превосходит по возможностям, удобству работы, мощности и простоте схемы сконструированный автором ИП, описанный в книге [1].
Таким образом, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут приведены принципиальные схемы ИП, затем будут даны разводка и внешний вид его платы, далее будет представлен общий вид всего устройства и, наконец, даны рекомендации по его настройке.
Принципиальные схемы
В состав ИП входят его печатная плата (Рисунок 1) и дополнительные компоненты (Рисунок 2).
 |
||
| Рисунок 1. | Схема платы регулируемого двуполярного ИП с ограничением тока и индикацией перегрузки. | |
Схему платы ИП (Рисунок 1) условно можно разделить на 4 части.
 |
||
| Рисунок 2. | Схема дополнительных устройств ИП. | |
Часть 1 – стабилизатор с выходным напряжением +34 В (в левом нижнем пунктирном прямоугольнике Рисунка 1), сконструированный на базе ОУ LM1875T (DA1). В состав стабилизатора входит источник образцового напряжения (ИОН) на базе диодного стабилизатора тока S-562T (VD1) с номинальным током 5.6 мА и стабилитрона BZT52S6V8S (VD2) с номинальным напряжением 6.8 В.
Здесь следует напомнить, что такой диодный стабилизатор тока в зарубежной литературе именуется как Constant Current Diode (CCD) или Current Regulative Diode (CRD) и представляет собой n-канальный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (JFET), у которого затвор соединен с истоком. При напряжении между стоком и истоком, превышающим 10 В, такой транзистор входит в насыщение, и при дальнейшем росте напряжения (вплоть до 100 В) ток сток-исток практически не меняется, т.е. этот транзистор является источником стабильного тока. Стабилизация тока приводит к существенной стабильности напряжения на стабилитроне независимо от изменения и пульсаций входного напряжения. Коэффициент стабилизации при таком включении диодного стабилизатора тока и стабилитрона может достигать 10000 и более. Это означает, что, например, при изменении входного напряжения на 10 В изменение напряжения стабилитрона не превысит 1 мВ.
Таким образом, выходное напряжение ИОН (это точка соединения VD1 и VD2) составляет 6.8 В; оно является опорным и подключено к неинвертирующему входу ОУ DA1 (вывод 1). А к его инвертирующему входу (вывод 2 DA1) подключено напряжение, снятое с точки соединения резисторов R1 и R2 делителя выходного напряжения (+34 В) стабилизатора (вывод 4 DA1). При выходном напряжении стабилизатора +34 В, как нетрудно подсчитать, в точке соединения R1 и R2 образуется напряжение 6.8 В (т.е. равное опорному). Справедливо и обратное: при номиналах R1 и R2, указанных на схеме, выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным +34 В. При подключении к стабилизатору нагрузки в первый момент его напряжение падает, отчего падает и напряжение, снятое с делителя R1R2, а поскольку оно подключено к инвертирующему входу DA1, его выходное напряжение возрастает и устанавливается на прежний уровень. При отключении нагрузки все происходит с точностью до наоборот.
Конденсаторы C1 – C4 с одной стороны предотвращают самовозбуждение ОУ, с другой – существенно подавляют пульсации выходного напряжения; их размах составляет не более ±2 мВ при максимальном токе 1 А.
Здесь необходимо добавить два момента, связанных со стабилизатором.
Первый момент связан с тем, что прежде чем попасть в схему Рисунок 1, схема стабилизатора была разведена на отдельной плате и тщательно проверена в работе. Поэтому этот стабилизатор может использоваться и как самостоятельное устройство. В статье эта разводка не показана, однако она приведена в дополнительных материалах к статье (см. раздел Загрузки).
 |
||
| Рисунок 3. | Упрощенная схема параллельного включения двух ОУ в умощненном стабилизаторе. |
|
Второй момент связан с увеличением нагрузочной способности описываемого стабилизатора. Как было указано выше, максимальный выходной ток ОУ LM1875T составляет 4 А. Если требуется стабилизатор с бо́́льшим выходным током, то два ОУ LM1875T можно подключить параллельно (Рисунок 3), а для компенсации небольшой разницы выходных сопротивлений двух экземпляров ОУ перед иx объединением к выходам необходимо подключить резисторы (R1, R2, Рисунок 3) с небольшим номиналом (0.1 Ом). В этом случае выходной ток стабилизатора удвоится. Такое включение двух мощных ОУ является широко распространенной практикой (см., например, параллельное включение двух мощных аудио ОУ в составе LM4780, описанное в его справочном листке). Но где можно параллелить два ОУ LM1875T, там можно параллелить и три, и получить выходной ток, например, 10 А.
Часть 2 – стабилизатор с регулируемым выходным напряжением (приблизительно в диапазоне +5 – +32 В) и регулируемым порогом ограничения тока (20 мА – 1 А), сконструированный на базе регулируемого стабилизатора L200 (DA2) и одном из счетверенных ОУ MC34074 (DA4.1) – схема в верхней левой части Рисунка 1. Подобная схема описана в справочном листке на L200 (правда, с другими выходными параметрами и другими номиналами резисторов).
Регулировка выходного напряжения (VО) осуществляется резистором R5' (Рисунок 2). Это потенциометр марки СП5-35А с высокой разрешающей способностью благодаря груботочной схеме, построенной на двух соосных резистивных элементах. К нему припаян двухпроводный кабель, ко второму концу которого припаян разъем X4' (цанговое двухконтактное гнездо на Рисунке 2), подключаемый к 2-контактному цанговому штыревому разъему X4 платы (Рисунок 1).
Регулировка порога ограничения тока производится резистором R4' (Рисунок 2), который аналогично подключается к разъему X3 платы (Рисунок 1). Резистор R4' должен иметь квазилогарифмическую характеристику (тип C, Рисунок 4), а если его контакты переставить местами, то при вращении штока резистора по часовой стрелке его характеристика примет вид сплошной кривой (Рисунок 4). В этом случае при приблизительном удвоении номинала ограничения тока шкала поворота резистора получится более-менее равномерной (см. далее Рисунок 7). И если эту шкалу разместить в верхней части (по отношению к штоку), то при вращении штока по часовой стрелке ток будет увеличиваться по направлению слева направо. Резисторы с квазилогарифмической характеристикой (типа C) менее распространены, чем резисторы с показательной характеристикой (тип А, Рисунок 4), которые, как правило, используются в регуляторах громкости (отчего и более доступны). Поэтому, если резистор типа C найти будет затруднительно, можно использовать резистор типа А, но при этом вращать его нужно будет уже против часовой стрелки, а шкалу необходимо расположить снизу штока. Тогда увеличение тока при таком вращении будет также в направлении слева направо.
 |
||
| Рисунок 4. | Характеристики резистора, регулирующего порог ограничения тока (зависимость относительного сопротивления резистора R/RMAX от относительного угла поворота φ/φMAX штока). |
|
Наиболее востребованный диапазон токов, на взгляд автора, составляет от 20 мА до 0.25 А, и благодаря характеристике резистора R4' типа C токи в этом диапазоне (20 мА, 50 мA, 100 мА и 0.25 А) достаточно легко выставить, поскольку разница по углу поворота R4' для них довольно большая.
Конденсатор C5 предназначен для подавления наводок в выходном напряжении стабилизатора.
Часть 3 – формирователь искусственной «земли» или, другими словами, преобразователь однополярного напряжения VО в диапазоне +6 В – +30 В в двуполярное в диапазоне ±3 В – ±15 В на базе еще одного ОУ LM1875T (схема в правом верхнем пунктирном прямоугольнике Рисунка 1). Как видно из схемы, ОУ используется как повторитель напряжения, поданного на его неинвертирующий вход с делителя (в 2 раза) входного напряжения VО. Этот делитель составлен из двух равных резисторов R8 и R9 (с точностью 0.1%). В связи с этим, напряжение VG равно половине напряжения VО. Конденсаторы C6 – C13 исключают самовозбуждение преобразователя и снижают размах пульсаций его выходных напряжений; конденсатор C14 – блокировочный. Этот формирователь также был разведен на отдельной плате и тщательно проверен в работе (разводка такой платы приведена в дополнительных материалах к статье). Однако, если применение стабилизатору +34 В (на DA1, Рисунок 1) автор пока не нашел, то применение подобного формирователя искусственной «земли» при однополярном питании УМЗЧ на базе двух мощных ОУ LM3886, включенных в мостовом режиме работы, получило неожиданный и очень интересный эффект (см. [1]). Для объяснения этого эффекта сделаем некоторое отступление.
Как известно, при мостовом включении двух ОУ нагрузка (например, акустическая система – АС) подключается своим плюсом (+) к выходу одного из них, а минусом (-) – к выходу второго. При этом оба ОУ включены идентично и работают в режиме инвертирующего ОУ с коэффициентом усиления около 20. В таком режиме работы искажения (коэффициент нелинейных искажений плюс шум – КНИ+Ш) минимальны. А вот ко входам обоих ОУ подключаются взаимно инверсные сигналы. При максимуме положительной полуволны входного сигнала потенциал входа (+) АС оказывается близким к положительному напряжению питания (разница составляет так называемое напряжение отсечения), а потенциал (-) АС (или ее силовая «земля») – близким к отрицательному. При отрицательной полуволне входного сигнала силовая «земля» АС будет находиться под потенциалом близким к положительному напряжению питания, а (+) АС – близким к отрицательному, т.е. потенциалы (+) и (-) АС поменяются местами. Таким образом, роль силовой земли выполняет выход одного из ОУ. В стандартном (не мостовом) режиме работы ОУ АС своим плюсом (+) подключена к выходу ОУ, а минусом – к силовой «земле», ток по которой составляет единицы ампер. Вот поэтому для такого режима работы ОУ и требуется двуполярный ИП с силовой «землей», из которого в усилитель приходят три провода: два провода питания (+U, –U) и провод «земли».
Помимо силовой «земли» в мощном ОУ используется еще так называемая вспомогательная «земля». К этой «земле» подключаются конденсаторы по питанию ОУ, некоторые RC-цепочки, сигнал «mute» и т.п. Кроме того, в усилителе используются дополнительные устройства: предварительный усилитель, устройство, индицирующее превышение определенного порога входным сигналом, и некоторые другие. Все эти устройства также подключаются к вспомогательной «земле». В сумме ток по такой вспомогательной «земле» не превышает нескольких долей ампер (не более 0.2 – 0.3 А).
Кроме вспомогательной «земли» имеется еще так называемая сигнальная земля, ток которой ничтожно мал.
Силовая «земля», передаваемая из ИП отдельным проводом (помимо +U и –U), является источником очень больших помех: это наводки сетевого напряжения (50 Гц) и помехи, возникающие в выпрямителе (сглаживающие конденсаторы после выпрямителя заземляются на эту же силовую «землю»). И, если ОУ включен в стандартном режиме, и без силовой «земли» не обойтись, то при работе ОУ в мостовом включении силовая «земля» не требуется (ее роль, как было сказано выше, выполняет выход одного из ОУ). А раз так, то возникает следующая идея: если силовая «земля» не нужна, то вообще оставить ее в ИП, из которого передавать только +U и –U, а для создания вспомогательной «земли» использовать вышеописанный формирователь искусственной «земли». В этом случае все помехи останутся в ИП и передаваться в усилитель уже не будут.
Но тогда возникает еще один вопрос: а нужен ли вообще двуполярный ИП с напряжениями +U, –U и «землей» (например, +14 В, –14 В, «земля»)? Почему бы не обойтись однополярным ИП с единственным стабилизированным напряжением 28 В? Во-первых, в этом случае потребуется всего один стабилизатор вместо двух (а он в 2 раза дешевле), во-вторых, количество выпрямительных диодов и дорогих электролитических конденсаторов также будет в 2 раза меньше и, в-третьих, мощность трансформатора (а значит его габариты и, соответственно, стоимость) можно снизить приблизительно на 20% (а то и больше).
В любом случае (не важно, используется однополярный ИП, либо двуполярный), по предположению автора применение формирователя искусственной земли должно несколько снизить небольшой 50- и 100-герцовый фон, прослушивающийся в АС (правда, достаточно близко – несколько сантиметров) при отсутствии звукового сигнала или в паузе между фонограммами. Каково же было удивление автора, когда было обнаружено, что вышеописанный фон не только снизился, а вообще исчез: установив регулятор громкости в усилителе на максимум и приложив ухо вплотную к динамикам АС, у ВЧ динамика можно было услышать только слабое сипение, у СЧ динамика – слабое шипение, а у НЧ динамика вообще была полная тишина. Автор очень тщательно прислушивался, надеясь услышать знакомый 50-герцовый фон, но так ничего и не услышал. Эта, на первый взгляд не совсем заметная особенность, на самом деле существенно повышает комфортное восприятие высококачественного музыкального сигнала.
Теперь, возвращаясь к прерванной последовательности изложения, можно отметить, что в этом и заключается необычный эффект, полученный при применении формирователя искусственной «земли».
Купить LM1875 на РадиоЛоцман.Цены
