Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 3 – Problemy i modyfikacje (wmacniacze operacyjne)

W dwóch poprzednich częściach artykułu omówione były: koncepcja zasilacza oraz realizacja uproszczonego prototypu. Prototyp jest potrzebny, ponieważ jak najwcześniej trzeba sprawdzić, czy układ w ogóle działa i czy przyjęta koncepcja jest dobrą podstawą do rozbudowy układu o kolejne funkcje.
Article Image

Pierwsze kłopoty z zasilaczem

Wstępne testy prototypu o schemacie z rysunku 1 z dołączonym potencjometrem regulacyjnym i wyjściowym kondensatorem filtrującym 10uF według schematu z rysunku 2 przeprowadziłem przy użyciu dwóch zasilaczy. Część sterująca zasilana była z zasilacza wtyczkowego 7,5V, co dało za stabilizatorem LM317 5,45V. Natomiast główny obwód dla bezpieczeństwa zasilany był napięciem tylko 10,3V. Po zmontowaniu modelu i pierwszym włączeniu źródeł zasilania... układ oczywiście nie zadziałał.

Rys.1 Schemat prototypu zasilacza

Powodów było kilka. Z jednej strony płytka uniwersalna z pojedynczymi, wzajemnie niepołączonymi punktami lutowniczymi jest bardzo wygodna w użyciu, bo połączenia można zrealizować na mnóstwo sposobów i nie trzeba przecinać ścieżek. Jednak z drugiej strony pojedyncze punkty lutownicze zwiększają ryzyko pomyłek i błędów, o czym boleśnie się przekonałem.

Na samym początku układ nie zadziałał, bo z mojej winy na płytce brakowało dwóch drobnych połączeń, a jedno było błędne. Jak wspomniałem wcześniej, efektem poszukiwań związanych z tym błędów było też dodanie diod D2, D3 (co nie było bezwzględnie konieczne). Po usunięciu tych ewidentnych braków i dodaniu diod D2, D3 układ zadziałał. Do wyjścia dołączyłem woltomierz. Potencjometr pozwalał ustawić napięcie wyjściowe od wartości bliskiej zeru do pełnego głównego napięcia zasilającego 10,3V, co było dobrym znakiem.

Rys.2 Zasilacz z dołączonym potencjometrem regulacyjnym i wyjściowym kondensatorem filtrującym 10uF 

Niestety przez beznadziejnie głupie przeoczenie o mało nie spaliłem głównego MOSFET-a regulacyjnego. Od początku na kolejnych schematach rysowałem zabezpieczającą diodę Zenera (D4) miedzy bramką i źródłem głównego MOSFET-a. Ale gdy interaktywnie tworzyłem model i schemat z rysunku 1, o tej „zenerce” całkiem zapomniałem. W zasadzie podczas prawidłowej pracy ta zabezpieczająca „zenerka” nie jest konieczna, bo napięcie UGS nie powinno przekroczyć dopuszczalnego ±20V. Jednak w przypadku jakiegoś błędu nawet bardzo krótki większy impuls może nieodwracalnie przebić bardzo cieniutką i delikatną warstewkę tlenku miedzy bramką i źródłem MOSFET-a.

Póki główne napięcie zasilania wynosiło 10V problemu nie było. Gdy jednak zwiększyłem główne napięcie zasilania do 30V i zacząłem różne wstępne eksperymenty, układ zaczął dziwnie reagować. Straciłem sporo czasu na pomiary i interpretację dziwnych wyników. Po dłuższej analizie doszedłem do wniosku, że z uwagi na brak tego zabezpieczenia podczas eksperymentów nastąpiło przebicie między bramką i źródłem MOSFET-a.

Byłem pewny, że MOSFET uległ przebiciu, więc wymieniłem go na inny egzemplarz. Ale układ nadal działał bardzo dziwnie. Znalezienie przyczyn utrudnił fakt, że wyjście zasilacza nie było obciążone. Dalsze dość dziwne zachowanie i wyniki pomiarów wykazały, że uszkodził się tranzystor T1 (BC556) w źródle prądowym, co dało te dziwne objawy. Po wymianie T1 (i wcześniej MOSFET-a TR) potencjometr regulował napięcie wyjściowe, także przy głównym napięciu zasilania do 30V. Woltomierz pokazywał, że regulacja jest prawidłowa.

Rys.3 Przebieg napięcia wyjściowego zasilacza - napięcie wyjściowe 4,2V
Rys.4 Przebieg napięcia wyjściowego zasilacza - napięcie wyjściowe 4,36V brak obciążenia wyjścia

Owszem, ale dołączenie do wyjścia oscyloskopu pokazało, że wcale nie jest tak dobrze, że występują tam oscylacje. Tylko przy małych napięciach wyjściowych, od zera do 4,2V oscylacji nie było, co pokazuje rysunek 3. Przy ustawieniu napięcia wyższego, na wyjściu wystąpiły drgania. Rysunek 4 pokazuje przebieg na wyjściu zasilacza przy troszkę większym napięciu wyjściowym (4,36V) i przy braku obciążenia wyjścia. Okres oscylacji to około 330 mikrosekund, czyli 0,33ms co daje częstotliwość około 3kHz.

Dołączenie do wyjścia obciążenia jeszcze pogłębia problem. Rysunek 5 pokazuje przebieg napięcia wyjściowego naszego zasilacza przy średnim napięciu wyjściowym 3,13V i dołączeniu do wyjścia rezystora 200Ω. A rysunek 6 – przy średnim napięciu 3,53V i dołączeniu rezystora 6,8Ω, co daje prąd obciążenia około 0,52A. W tym przypadku okres oscylacji to około 80 mikrosekund, co daje częstotliwość około 12kHz.

Rys.5 Przebieg napięcia wyjściowego zasilacza - napięcie wyjściowe 3,13V; rezystor 200Ω
Rys.6 Przebieg napięcia wyjściowego zasilacza - napięcie wyjściowe 3,53V; rezystor 6,8Ω

Potencjometrem można regulować średnie napięcie wyjściowe, ale występują w nim oscylacje o częstotliwości zależnej między innymi od prądu obciążenia. Ale nie tylko, bo także od pojemności włączonej na wyjściu. Najpierw był tam kondensator elektrolityczny 10uF/63V. Rysunek 7 pokazuje sytuację przy napięciu 4,28V, obciążeniu wyjścia rezystorem 6,8Ω i dołączeniu tak dodatkowego potężnego kondensatora 10000uF/25V. Wcześniej były tam silne oscylacje, takie jak na rysunku 6, a dołączenie bardzo dużego kondensatora zmniejszyło je, ale nie zlikwidowało całkowicie.

Rys.7 Przebieg napięcia wyjściowego zasilacza - napięcie wyjściowe 4,28V; rezystor 6,8Ω; kondensatora 10000uF 25V 

Takie zachowanie zasilacza wcale mnie nie zaskoczyło, a tylko potwierdziło wcześniejsze oczekiwania, że ogromna wypadkowa wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego i tranzystora T3 niechybnie doprowadzi do samowzbudzenia. I zgodnie z przypuszczeniami doprowadziła.

Wcześniej nie podjąłem żadnych środków zaradczych, ponieważ od razu planowałem, że w stabilizatorze będzie można zastosować rozmaite wzmacniacze operacyjne o różnej szybkości i o różnej precyzji. Zapewne różne będą też wymagania dotyczące właściwości dynamicznych stabilizatora. Wiedziałem, że szczegóły trzeba będzie dokładniej ustalić, zbadać kilka wersji i dopracować za pomocą testów. Wiedziałem że właśnie dobór elementów, zarówno pętli regulacji napięcia, a później także ogranicznika prądowego będzie jednym z najtrudniejszych zadań przy budowie tego stabilizatora.

Przed podjęciem tej trudnej walki zmodyfikowałem jednak prototyp.

Modyfikacje modelu - wzmacniacze operacyjne

Od początku zakładałem, że w zasilaczu będę chciał wypróbować i zastosować różne wzmacniacze operacyjne. Jak pokazuje rysunek 12 z pierwszego odcinka oraz rysunek 2 z drugiego odcinka, w finalnych wersjach planowałem użycie czterech wzmacniaczy operacyjnych.

Zgodnie z rysunkiem 8 mogą to być cztery wzmacniacze pojedyncze, dwa podwójne, jeden poczwórny, ewentualnie jeden podwójny i dwa pojedyncze. Każde rozwiązanie miałoby zalety.

Rys.8 Cztery wzmacniacze operacyjne

Najbardziej elastyczne byłoby użycie czterech pojedynczych wzmacniaczy operacyjnych. Każdy z nich mógłby być inny, według potrzeb, wymagań i ograniczeń. Istotną zaletą wzmacniaczy pojedynczych jest to, że mają końcówki do korekcji napięcia niezrównoważenia czyli offsetu.

Precyzję można byłoby uzyskać nawet przy użyciu prostych i tanich wzmacniaczy dodając potencjometr do korekcji offsetu. Owszem, tylko jest kilka ograniczeń. W układzie niezbędne są wzmacniacze, których wejścia mogą pracować na poziomie ujemnego napięcia zasilania. Bezapelacyjnie najpopularniejszym wzmacniaczem tego typu jest podwójny LM358. Jego poczwórna wersja to LM324, a pojedynczej... nie ma (pomijamy LM321 w maleńkiej obudowie). Inne pojedyncze wzmacniacze nie są tak popularne...

Ponadto poszczególne pojedyncze wzmacniacze z możliwością korekcji offsetu mają inne przeznaczone do tego końcówki i inaczej włączany jest suwak potencjometru korekcyjnego.

My docelowo chcemy stworzyć uniwersalny moduł, który pozwoli na budowę zasilaczy o różnych możliwościach i różnej precyzji. Obwody korekcji offsetu poważnie skomplikowałyby płytkę oraz czynności związane z jej dostosowaniem do poszczególnych typów pojedynczych wzmacniaczy.

Właśnie to były główne powody dla których odrzuciłem użycie w prototypie pojedynczych wzmacniaczy.

Z drugiej strony użycie kostki zawierającej cztery wzmacniacze w jednej 14-nóżkowej obudowie, na przykład LM324, zmniejszyłoby liczbę układów scalonych. Owszem, ale poczwórne wzmacniacze są mniej popularne. Niektóre typy nie są dostępne w wersji poczwórnej, a tylko w pojedynczej i podwójnej. Ponadto w prostszych realizacjach zasilacza potrzebne będą nie cztery, tylko dwa wzmacniacze (o ile coś się nie zmieni w trakcie dopracowywania układu).

Dlatego optymalne wydaje się użycie dwóch podwójnych wzmacniaczy. Na pewno w prototypie i w podstawowym modelu finalnym. A gdy układ zostanie dopracowany, będzie można zastanowić się nad wersjami ze wzmacniaczami pojedynczymi lub poczwórnymi. Tak czy inaczej, w modelu będą testowane różne wzmacniacze operacyjne, wolniejsze, szybsze, mniej i bardziej precyzyjne.

Podwójne wzmacniacze operacyjne planowałem już w pierwotnym modelu. Tylko wtedy zakładałem, że najpierw będę pracował nad wersją podstawową, gdzie wystarczy jedna podwójna kostka. Wlutowałem więc 8-nóżkową podstawkę precyzyjną (DIP-8, DIL8). Planowałem później wlutować drugą taką samą.

Fot.9 Małe płytki (12 × 12mm)

Trzeba było to zmienić. W układzie na pewno będą pracować (będą testowane) wzmacniacze w obudowie przewlekanej DIP-8. One zostaną włożone wprost do podstawki, to oczywiste. Mniej oczywista jest kwestia obudów SMD. Dziś mnóstwo wzmacniaczy operacyjnych dostępnych jest tylko w obudowach SMD, a nie ma ich wersji przewlekanych w obudowie DIP-8. Niektóre są dostępne tylko w bardzo maleńkich nowoczesnych obudowach o rozstawie wyprowadzeń 0,65mm (26 milsów).

Niektórych takich maleństw nie sposób polutować ręcznie, ale na szczęście większość występuje także w stosunkowo dużych obudowach SMD, mianowicie SOIC- (SO-8), o rozstawie wyprowadzeń 1,27mm (50 milsów) i o szerokości obudowy 3,8mm (150 milsów).Fakt, że nie istnieją wersje przewlekane wielu wzmacniaczy operacyjnych zmusza do zastosowania jakichś przejściówek – adapterów. Popularne i tanie są maleńkie (niecałe 12 × 12mm) płytki, pokazane na fotografii 9, do których można dolutować wyprowadzenia i włożyć do podstawki DIP-8. I tu najprawdopodobniej od razu przyjdzie do głowy popularne hasło: goldpin!

Niestety, jakże popularnych i pożytecznych goldpinów nie uda się wcisnąć do podstawki – ani zwykłej, ani precyzyjnej. Są zdecydowanie za grube. Potrzebne są do tego mniej popularne cieńsze piny (szpilki), zapewne też pozłacane (czyli też będące goldpinami), jak pokazuje fotografia 10.

Fot.10 Cieńsze goldpiny

Problem adapterów SMD można więc łatwo rozwiązać, jednak przylutowany doń wzmacniacz operacyjny raczej nie będzie mógł być wylutowany i potem wlutowany gdzieś indziej. Choćby tylko z uwagi na ryzyko przegrzania.

Nie ma problemu z tanimi LM358 w wersji SMD, ale jeśli będziemy wykorzystywać także precyzyjne i kosztowne wzmacniacze operacyjne, taki „jednorazowy” adapter budzi niesmak.

Rozwiązaniem są adaptery ze stykami sprężystymi. Problem jednak w tym, że z reguły adaptery 8-nóżkowe wykorzystują większe korpusy, jak pokazuje fotografia 11.

Fot.11 Adaptery 8-nóżkowe wykorzystują większe korpusy

Zamiast dwóch takich, można wykorzystać jeden 16-nóżkowy. Tuż po wykonaniu pierwotnego modelu zamówiłem cztery tego rodzaju adaptery o różnych rozmiarach.

W zakupionym adapterze SO16-DIP16 trzeba było wymienić fabrycznie wlutowane goldpiny na cieńsze, które da się włożyć w otwory podstawki precyzyjnej. Nie sposób wylutować na raz całej listwy goldpinów, bo próba grzania gorącym powietrzem może uszkodzić plastikowy adapter. Bez problemu można jednak goldpiny wylutować pojedynczo.

Fot.12 Wylutowywanie goldpinów pojedynczo

Fotografia 12 pokazuje etapy takiej pracy. Na fotografii 13 widać finalny efekt, gdzie nowe listwy są wlutowane dłuższymi końcówkami w płytkę, co ułatwia ich lutowanie.

Fot.13 Nowe listwy wlutowane dłuższymi końcówkami w płytkę

Po wstępnym sprawdzeniu pierwotnego modelu zasilacza zmodyfikowałem go, co polegało na wlutowaniu w płytkę precyzyjnej podstawki DIP- 16 i wiązało się też ze zmianą niektórych połączeń. Zwiększyłem również pojemność kondensatora wyjściowego filtrującego zasilanie z 10uF do 100uF.

Fotografia 14 pokazuje model po modyfikacji (z włożoną do adaptera jedną kostką LM358 SMD).

Fot.14 Model po modyfikacji (z włożoną do adaptera jedną kostką LM358 SMD)

Prototypowy układ zasilacza stał się gotowy do dalszych testów. Można było zacząć walkę z samowzbudzeniem, co zostanie opisane w następnym odcinku. A osoby, które zbudują tego rodzaju układ, mogą samodzielnie rozpocząć eksperymenty i usunąć samowzbudzenie, co można zrobić na różne sposoby.

Tematyka materiału: stabilizator, LM317, MOSFET, LM358
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich listopad 2019
Udostępnij
UK Logo