Как сделать усилитель напряжения своими руками

Как сделать усилитель постоянного тока своими руками

Усилитель постоянного напряжения – это устройство, увеличивающее напряжение в определенное число раз. Такое устройство может быть незаменимым, в частности, для усиления сигнала от разного рода датчиков (например, термопар), равно как и для любых других случаев, когда требуется измерить очень малое напряжение (порядка 1 милливольта и менее).

Конечно, для такой цели можно приобрести соответствующий милливольтметр (или даже микровольтметр). Однако, его стоимость на дату написания статьи (2019 г.) составляет от 5 тыс. руб. (и то при условии, что если он совсем уж Алиэкспрессный). А так, мало-мальски точные приборы стоят 20, 30 тыс. руб., а то и более. Правда, они, в дополнение, зачастую имеют множество разных других функций – например, сохранение результатов, передача их на компьютер через USB-интерфейс и др. Что, впрочем, нужно не всегда. Да и, как правило, такие приборы являются достаточно объемными, занимают немало места.

Есть, конечно, недорогие мультиметры со шкалой измерения напряжений 200 мВ. Но, и они неспособны достаточно точно измерить малые напряжения в диапазоне единиц и долей милливольта.

В этой статье мы с Вами посмотрим, каким образом можно собрать самодельный простой (но, достаточно точный) усилитель постоянного напряжения.

Конечно, в самом простом случае в качестве такого усилителя может фигурировать обычный транзисторный каскад (один или несколько). Но, там придется выполнять стабилизацию (чтобы параметры усилителя не изменялись в зависимости от температуры), защиту от короткого замыкания и т.п. Поэтому, конечно, не все так просто.

Вот схема, основанная на операционных усилителях (из книги Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение.- М.: Радио и связь, 1989.-120с.):

Эта схема – достаточно стабилизированная, путем отрицательной обратной связи. Впрочем, прецизионной ее назвать, все-таки, нельзя. Так как сами по себе операционные усилители К140УД7 не являются прецизионными (в отличие от К140УД13). Поэтому, если требуется высокая точность усилителя, нужно заменить К140УД7 на что-нибудь более точное. Так можно выполнить уже вполне профессиональный прибор.

Основываясь на ней, выполнена схема усилителя напряжения (в виде готовой печатной платы):

Для наглядности, схема выполнена на двух печатных платах одинакового размера.

Примечание 1 : разработка печатных плат выполнялась вручную, без использования программного обеспечения. Кроме того, не ставилась цель достижения особой компактности. Поэтому размеры плат получились несколько большими. Видится, что при оптимизации вполне возможно снизить их площади раза в два. Правда, при этом возрастет трудоемкость монтажа.

Примечание 2 : Так как схема дорабатывалась в процессе ее монтажа, обозначения ее элементов (например, резисторов) не везде идут последовательно. Например, после R1 сразу идет R15, ну, и т.д.

На первой (выше по схеме) реализован, собственно, усилитель, а также защиту выходного каскада ОУ D3 (на всякий случай). Вторая плата содержит вспомогательные схемы, как то:

Несущая частота операционного усилителя D1 выбирается равной 1 кГц, что достигается при С₁ = 1000 пФ. Полоса пропускания D1 не превышает 50. 100 Гц, коэффициент усиления равен 7, а₀=0,5 мкВ/°С, а максимальное выходное напряжение примерно равно ±0,5 В.

Для повышения коэффициента усиления и выходного напряжения с тем же значением уровня дрейфа, т.е. температурного коэффициента a₀ к ОУ К140УД13 добавлены два обычных ОУ — типа К140УД7 (D2, D3).

Оба этих ОУ способствуют увеличению коэффициента усиления, а третий по схеме, кроме того, позволяет получить амплитуду выходного напряжения около 12 В. Из-за общей ОС коэффициент усиления K_F= R2/R1 не превышает нескольких сотен или тысяч (об этом – см. ниже).

Конденсаторы С2 и СЗ являются разделительными, а С4 обеспечивает сглаживание пульсаций преобразованного напряжения, т.е. относится к ФНЧ.

К выводам 1 и 5 усилителей D2 и D3 присоединены потенциометры балансировки нуля R6, R7, на движки которых подается напряжение U_п = -15 В.

Судя по фактическим параметрам схемы, коэффициент усиления напряжения получился равным K_F = 107*10 3 /900 = 119. Если требуется иное значение коэффициента усиления, его можно получить, подбирая значения резисторов R1 и R2. Есть рекомендации, согласно которым R2 целесообразно выбирать не выше 100…150…200 кОм, а R1 – не ниже 200…400 Ом. Таким образом, максимальное значение коэффициента усиления предлагаемой схемы может составить, ориентировочно, 200*10 3 /200 = 1000. Правда, чем ниже R1, тем ниже будет экономичность усилителя, что является актуальным в случае питания его от комплекта батареек (типа «Крона»).

Описание работы схемы усилителя

Кого это не интересует, могут сразу посмотреть его внешний вид. Начнем по порядку.

Стабилитроны VD1, VD2 предназначены для ограничения напряжения, поступающего на вход операционного усилителя D1 до 2,7В. Впрочем, их напряжение стабилизации не является критичным, так как они включены встречно друг к другу. При таком включении максимальный уровень напряжения на входе 3 операционного усилителя К140УД13 составит не более, чем доли вольта (примерно до 0,5 В – что ниже, чем максимально допустимое входное напряжение К140УД13). Т.е., по сути, в данном случае стабилитроны работают в качестве обычных диодов.

Защита входного каскада усилителя К140УД13

Резистор R14 служит для защиты входного каскада ОУ D1. Например, если сигнал датчика, подключенного к нему, резко превысит свое значение. Или если по ошибке туда будет подключен источник ЭДС или др. Проведем расчет максимального напряжения, при котором еще не произойдет повреждение К140УД13.

Повреждение произойдет, если в свою очередь, повредятся стабилитроны VD1, VD2. Они рассчитаны на максимальный ток, равный 200 мА. Следовательно, максимально допустимое напряжение на резисторе R14 составит 200*10 -3 *1*10 3 = 200 В.

Конечно, вполне можно довести максимально допустимое напряжение до 500…600 В, как это делается во многих современных мультиметрах. Например, установив R14 равным 3 кОм.

Ограничитель помех

В качестве ограничителя помех выступает резистор R15. Опытным путем подобрано его значение, равное 22 кОм. Да, его присутствие резко снижает входное сопротивление усилителя. Но, как показала практика, зато усилитель делается практически нечувствительным к разного рода помехам, наводимым «из воздуха». Без R15 усилитель может выдавать ненулевое напряжение, даже если просто коснуться рукой одного из его входных клемм. Поэтому – необходим компромисс – в зависимости от того, насколько критичным является высокое значение входного сопротивления. Если это критично, тогда R15 придется исключить из схемы; но, при этом следует подавать сигнал на вход усилителя через специальный защитный экранированный кабель (например, коаксиальный). При этом обычные клеммы уже не подойдут, потребуются специальные разъемы.

Защита выхода усилителя

Или защита выхода последнего по схеме операционного усилителя – D3. Опять-таки, ее можно не делать, но, как говорится, а вдруг. А вдруг кто-то подаст напряжение на выход… хотя бы по неосторожности. Поэтому предусмотрен делитель напряжения на резисторах R16, R17 и стабилитроны VD9, VD10, рассчитанные на максимальный ток 0,5А.

Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на выход D3, составляет, ориентировочно, 0,5*3*10 3 = 1500В.

Резистор R16 предусмотрен, строго говоря, на всякий случай, если по каким-то причинам напряжение на выходе D3 превысит 12В – с целью защиты стабилитронов VD9, VD10. Кроме того, этот резистор дополнительно защищает D3 от короткого замыкания на выходе.

Примечание: на самом деле, D3 (К140УД7) содержит в себе защиту от короткого замыкания, поэтому наличие R16 в данном случае – дополнительная мера предосторожности.

Источник опорного питания -15В

Этот источник собран на микросхеме L7915CV (аналог соответствующей КРЕН на -15В). На вход ее подается -18В (взятое от двух последовательно соединенных батареек типа «Крона», на схеме не показаны). Напряжение -15В подается на питание усилителей D1…D3, а также на схему индикации питания (R10, R11, VD4). Если замкнута цепь двухпозиционного выключателя (замыкающего сразу две цепи) «Вкл.-», то при замыкании контактов Кн.2 двухпозиционной кнопки (которая нажатии замыкает сразу две цепи), на R10, R11, VD4 подается напряжение -15В. При этом номиналы R10, R11 подобраны такими, чтобы они светились минимально, даже менее, чем в полнакала. При этом, как только это напряжение по модулю снизится до 13,5…14,5В, светодиод VD4 погаснет. Т.е. светиться он будет, в данном случае, только если отрицательное напряжение равно -15В или около этого. То же самое относится и к цепи R8, R9, VD3.

Источник опорного питания +15В

Он собран на элементе КР142ЕН8Е. Индикация того, что он выдает напряжение не ниже +15В, выполняется цепью R8, R9, VD3 (при замкнутой цепи «Кн.1», т.е. при нажатой кнопке, естественно).

Таким образом, для проверки наличия напряжений -15В, +15В необходимо будет нажать кнопку и убедиться, что оба светодиода загорелись. Если так постоянно делать не хочется, то можно в схеме замкнуть накоротко выводы с « Кн.1», «Кн.2 ». При этом светодиоды будут загораться (при наличии требуемых напряжений) сразу после включения выключателя « Вкл.1, Вкл.2 ». Но, повторимся, это приведет к дополнительному расходу энергии, т.е. снизит экономичность усилителя.

Вход и защита входа усилителя

Вход находится там, где присутствует провод «К датчику». Второй вывод датчика подсоединяется к массе. Защиту входа образуют элементы R12, R13, VD5…VD8. Это – дополнительная цепь защиты входа операционного усилителя К140УД13. Так как стабилитроны VD5…VD8 рассчитаны на максимальное напряжение 3,6В, их максимальный ток равен 100 мА, получаем, что максимальное напряжение на проводе «К датчику» может составлять, ориентировочно,

100*10 -3 *1*10 3 = 100В.

Примечание 1 . Дублирующие стабилитроны VD7, VD8 введены в схему для надежности. Хотя, в общем, в них нет необходимости.

Примечание 2 . Конечно, так как после этой цепи идут R14, VD1, VD2, то напряжения стабилизации стабилитронов лучше бы выбрать не 3,6В, а гораздо выше, например, равным 200В. При этом защитные свойства входа усилителя существенно вырастут.

Внешний вид усилителя

Для усилителя был куплен соответствующий корпус (благо, в настоящее время с этим проблем нет – выпускаются корпуса самых разных размеров). Вот как выглядит собранный усилитель:

А вот так – снаружи, где вход:

Как видно, вверху слева имеется выключатель, под ним – та самая кнопка, которая при нажатии вызывает индикацию напряжений питания +/-15В (будут светиться светодиоды), если они не слишком ниже по абсолютной величине.

К клеммам можно подключать какой-нибудь датчик (например, термопару) или иной источник малой величины ЭДС, которую следует измерить.

Выходные клеммы находятся на задней стенке усилителя. К ним следует подключить обычный мультиметр, со шкалой на 2 В. При этом погрешность измерения такого мультиметра должна составлять, уж по крайней мере, не выше 5%. Это обеспечит возможность измерения ЭДС датчика от 1 мВ и даже ниже. А если мультиметр имеет шкалу в диапазоне до 200 мВ, то тогда усилитель даст возможность измерения постоянных напряжений уже в районе микровольт.

Где может быть полезен разработанный усилитель?

Например, при точном измерении:

Ранее мы приводили схему измерителя СВЧ-излучения (кстати, там же Вы можете почитать о влиянии СВЧ на живые организмы и др.). Однако, она имела недостатки:

В предлагаемой выше конструкции эти недостатки во многом устранены. Схема работала вполне корректно даже при таком напряжении батарей питания, когда индикаторные светодиоды еле-еле светились.

Бюджет конструкции

Стоимость деталей для конструкции, если руководствоваться розничными ценами в уфимских магазинах на середину 2019 г., составила где-то 3 тыс. руб. Конечно, если заказывать детали на том же Алиэкспресс, она будет ниже в разы. По-видимому, можно будет уложиться в 1000 руб.

Источник

Блок питания с регулировкой тока и напряжения своими руками

Всем известно, что мощный регулируемый блок питания с регулировкой напряжения и тока самое популярное и востребованное электронное устройство, с изготовления которого начинают свой творческий путь начинающие радиолюбители. Схем очень много, какую выбрать и с чего начинать многие просто теряются. Одним нужен простой лабораторный блок питания с регулировкой напряжения и тока, другим мощное зарядное устройство для зарядки автомобильного аккумулятора, а я предлагаю вам собрать своими руками простой универсальный блок питания с регулировкой напряжения и тока, который можно использовать для выполнения любых задач, питания электронных самоделок и зарядки автомобильного аккумулятора. Все, что от вас потребуется это усидчивость, минимальные знания электроники и умение пользоваться паяльником. А если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях, я вам обязательно помогу.

Хватит слов приступим к делу!

На этом рисунке изображена схема блока питания с регулировкой напряжения и тока от 2.4В до 28В и силой тока до 30А.

Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Важным элементом данной схемы является регулируемый стабилизатор напряжения микросхема TL431 или, как ее еще называют управляемый стабилитрон позволяющий плавно регулировать напряжение от 2.4 вольта до 28 вольт. Благодаря четырем силовым транзисторам, установленным на больших радиаторах, блок питания может выдержать ток до 30А. Также имеется регулировка тока и защита от переполюсовки, поэтому блок питания можно и даже нужно использовать, как зарядное устройство для автомобильного аккумулятора.

Делитель напряжения, построенный на мощном 5 Вт резисторе R1 и переменном резисторе Р1 ограничивает ток на катоде и на управляющем электроде стабилитрона TL431. Вращением ручки переменного резистора Р1 задается выходное напряжение стабилитрона, стабилизатор напряжения TL431, автоматически стабилизирует напряжение заданное переменным резистором Р1. С микросхемы TL431 ток поступает на базу транзистора Т1. Транзистор выполняет роль ключа и управляет двумя мощными биполярными транзисторами Т2 и Т3 соединенных параллельно для увеличения выходной мощности. В выходной каскад транзисторов установлены уравнительные резисторы R2 и R3. Далее ток поступает на плюсовую клейму блока питания.

Как работает регулировка тока?

В данной схеме реализована функция ограничения тока на двух мощных полевых транзисторах Т4 и Т5 соединенных параллельно. Давайте рассмотрим, как это работает. С диодного моста ток поступает на стабилизатор напряжения L7812CV, напряжение снижается до 12В, это безопасное значение для затворов транзисторов. Далее ток поступает на делитель напряжения собранный на переменном резисторе Р2 и постоянном резисторе R4. С движка переменного резистора Р2 ток проходит через тока ограничительные резисторы R5 и R6 открывая затворы полевых транзисторов Т4 и Т5. Транзисторы проводят через себя определенное количество тока в зависимости от сопротивления переменного резистора Р2. В данной схеме ток регулируется при любом выходном напряжении.

Также предусмотрена защита от переполюсовки, состоящая из двух светодиодов. Зеленый светодиод сигнализирует о правильном подключении автомобильного аккумулятора к выходу блоку питания, а красный светодиод, о ошибке подключения. Резисторы R7 и R8 ограничивают ток для светодиодов.

А, вот и печатная плата!

На этом рисунке изображена печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 30А

Печатную плату вы можете изготовить с помощью лазерно утюжной технологии для продвинутых, а также навесным монтажом этот способ больше подходит для начинающих радиолюбителей и они о нем прекрасно знают. Для изготовления печатной платы вам понадобиться фольгированный стеклотекстолит размером 100х83 мм. Большинство деталей устанавливаются на печатной плате за исключением транзисторов Т2, Т3, Т4, Т5, а также стабилизатор напряжения L7812CV и резисторы R2, R3, Р1, Р2. Биполярные транзисторы Т2 и Т3 устанавливаются на отдельном радиаторе без изоляционных прокладок, потому, что коллекторы транзисторов все равно по схеме соединяются вместе. Полевые транзисторы Т4, Т5 надо тоже установить на отдельном радиаторе без изоляции.

На этом рисунке изображены два радиатора с установленными транзисторами. Между собой радиаторы скреплены двумя лентами двухстороннего автомобильного скотча выполняющего роль электро изоляции. Сверху к радиаторам прикручена винтами пластиковая скрепляющая пластина, придающая жесткость конструкции. К ней будет крепиться дополнительная пластина с печатной платой и вентилятор.

Поскольку уравнительные резисторы R2 и R3 довольно большого размера для их предусмотрена специальная печатная плата, которая изображена на этом рисунке. Размер печатной платы 85х40 мм.

Печатная плата блока резисторов

Стабилизатор напряжения L7812CV надо закрепить на отдельный радиатор от компьютерного блока питания, потому, что в процессе работы он сильно нагревается. На этой картинке он находится в самом низу на радиаторе от компьютерного блока питания. С правой стороны вы увидите плату с уравнительными резисторами R2 и R3. Транзистор Т1 установлен на маленький радиатор. Переменные резисторы Р1 и Р2 тоже вынесены на верхнюю панель. Диодная сборка установлена на отдельном радиаторе, при большой нагрузке она очень сильно греется.

Для охлаждения радиаторов к установленному в блоке питания стабилизатору напряжения L7812CV я подключил вентилятор размером 120х120 мм, он отлично справляется со своей задачей.

Если вы хотите подключить вентилятор от дополнительной обмотки трансформатора, тогда вам надо поставить дополнительный стабилизатор напряжения по этой схеме.

Схема подключения вентилятора

Как подключить Китайский вольтметр амперметр?

При подключении Китайских электронных вольтметров амперметров возникает очень много различных проблем, то показания скачут, то завышает, то занижает, кому то бракованный прислали, вообщем качество Китайских приборов оставляет желать лучшего. Китайцы продают на АлиЭкспресс две модели чудо приборов. Первая модель имеет два тонких провода красный и черный, три толстых, красный, черный и синий. У второй модели три тонких провода, красный, черный, желтый и два толстых, красный и черный. Чтобы это Китайское чудо правильно работало и не искажало показания, надо знать простое правило, питание у прибора должно быть отдельное потому, что у прибора нет гальванической развязки и поэтому питание на Китайский вольтметр амперметр обязательно надо брать с дополнительной обмотки трансформатора или дополнительного источника питания, для этих целей идеально подойдет зарядка от телефона.

А лучше всего сделать выбор в сторону Китайских стрелочных аналоговых приборов класса точности 2.5. Поставить отдельно вольтметр и амперметр будет намного проще и точнее. Выбор остается за вами.

На этом рисунке изображена схема подключения Китайского вольтметра амперметра.

Схема подключения китайского вольтметра амперметра к блоку питания

Испытания блока питания

Пришло время испытать блок питания в деле. У микросхемы TL431 есть такая особенность, нижний порог напряжения 2.4 вольта, поэтому в блоке питания напряжение регулируется от 2.4 вольта до 27.4 вольта. Без нагрузки я выставил напряжение 12.5 вольт и подключил галогеновую лампу Н4. Напряжение под нагрузкой упало до 12.3 вольта, просадка составила всего 0.2 вольта при силе тока 4.88 ампера. Это очень хороший результат. Микросхема TL431 прекрасно стабилизирует напряжение. Как работает ограничение тока смотрите в видеоролике.

Как заряжать автомобильный аккумулятор?

Ну и самое интересное, это использование блока питания в качестве зарядного устройства для автомобильного аккумулятора. При выключенном блоке питания подключаем аккумулятор. Если горит зеленый светодиод, значит все подключено правильно. Что будет если поменять клеймы местами? А, ничего… Просто загорится красный светодиод, означающий ошибку в подключении.

Далее отключаем минусовую клейму, включаем блок питания и выставляем на блоке 14.5 вольт. Подключаем минусовую клейму к аккумулятору. И ручкой регулировки тока выставляем в начале зарядки ток не более 6 ампер для 60 амперного аккумулятора. К концу зарядки ток упадет до 0.1 ампера, а напряжение поднимется до 14.5 вольт. Это будет говорить о том, что аккумулятор полностью заряжен.

Для любителей «чем проще, тем лучше,» предлагаю собрать упрощенную схему блока питания на 15А

Данная схема регулируемого блока питания с регулировкой напряжения и тока рассчитана на максимальный ток до 15А. В ней отсутствуют дополнительные силовые транзисторы и уравнительные резисторы, что немного упрощает схему и делает её более бюджетной по сравнению со схемой на 30А.

Схема блока питания с регулировкой тока и напряжения 2.4…28В 15А

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В. Размер платы 100х60 мм.

Печатная плата блока питания с регулировкой тока и напряжения от 2.4В до 28В 15А

Радиодетали для сборки

Регулируемый блок питания с регулировкой тока и напряжения 30А

• Регулируемый стабилитрон (микросхема) TL431
• Диодный мост на 50А KBPC5010
• Конденсаторы С1, С2 4700 мкФ 50В
• Резисторы R1 1 кОм 5Вт, R2, R3 0.1 Ом 20 Вт, R4 100 Ом, R5, R6 47 Ом, R7, R8 2.7 кОм 0.25Вт, Р1 5 кОм, Р2 1 кОм.
• Радиатор 100х63х33 мм 2шт, радиатор KG-487-17 (HS 077-30) 1шт, радиатор от компьютерного блока питания 1шт
• Стабилизатор напряжения L7812CV
• Транзисторы Т1 TIP41C, КТ805, КТ819, Т2, Т3 TIP35C, КТ 867А, Т4, Т5 IRFP250, IRFP260
• Светодиоды LED1, LED2 на 3В зеленый и красный

Регулируемый блок питания с регулировкой тока и напряжения 15А

• Регулируемый стабилитрон (микросхема) TL431
• Диодный мост на 25А KBPC2510
• Конденсаторы С1, С2 4700 мкФ 50В
• Резисторы R1 1 кОм 5Вт, R2 100 Ом, R3 47 Ом, R4, R5 2.7 кОм 0.25Вт, Р1 5 кОм, Р2 1 кОм.
• Радиатор 100х63х33 мм 1шт, радиатор KG-487-17 (HS 077-30) 1шт, радиатор от компьютерного блока питания 1шт
• Стабилизатор напряжения L7812CV
• Транзисторы Т1 TIP41C, КТ805, КТ819, Т2 TIP35C, КТ 867А, Т3 IRFP250, IRFP260
• Светодиоды LED1, LED2 на 3В зеленый и красный

Чем заменить микросхему TL431?

Аналогом микросхемы TL431 является регулируемый стабилитрон КА431, из советских КР142ЕН19А, К1156ЕР5Х

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать блок питания с регулировкой тока и напряжения своими руками

Источник