Лінійний блок живлення для трансивера!

Не так давно в мене з'явився ось такий трансивер - Alan 87. Не дивлячись на те, що це CB трансивер, він з коробки покриває невелику частину 10м діапазону, а після легкої модифікації - взагалі перекриє майже весь діапазон! З модуляцій доступні - CW, FM, AM, USB, та LSB, тож трансивер точно вартий уваги.

Але в мене одразу постало питання - чим же його живити?

В мене є ось такий імпульсний блок живлення, але він часто зайнятий іншими справами, та й імпульсні блоки живлення можуть значно погіршити прийом подібних трансиверів. Тож в даній статті я покажу, як я зробив лінійний блок живлення, який круто виглядає, та точно не вносить ніяких завад в трансивер.

Всі блоки живлення можна поділити на дві групи: лінійні, та імпульсні.

Імпульсні блоки живлення, це сучасні маленькі блоки живлення, наприклад ваша зарядка для телефону, або блок живлення в комп'ютері. Не дивлячись на їх розмір, вони часто можуть видавати доволі велику потужність. Але в основі їх роботи лежить високо-частотне перемикання імпульсних трансформаторів. Такі перемикання часто створюють доволі потужні високочастоті завади, які залюбки проникають в різні чутливі прилади, і псують їх характеристики.

Тож якщо для приладу важливе чисте та гарне живлення - використовують лінійні блоки живлення. В основі таких блоків живлення лежить звичайний трансформатор, який знижує змінну напругу мережі, скажімо, 230В, до, наприклад, 12В. Далі ця напруга перетворюється в постійну, стабілізується щоб вона не залежала від напруги в мережі, і ми отримуємо чисту та гарну напругу на виході.

Але таке рішення має цілий ряд недоліків, через що лінійні блоки живлення зараз зустрічаються все рідше та рідше.

З ростом потужності пропорційно зростає і силовий трансформатор, тому на серйозних потужностях цей трансформатор може бути розміром з цеглину, а важити ще більше, тож компактними такі блоки живлення точно не назвеш. Для порівняння, ось мій блок живлення для телефону на 65 Вт, і трансформатор, який всього вдвічі потужніший:

Також, точка стабілізації напруги - буквально спалює надлишок напруги в тепло. Після випрямлення, напруга точно буде більше ніж вам треба, скажімо 15В, в той час як вам треба 12. Тож ці зайві 3 вольти будуть перетворюватись на тепло. І чим більше струму ви будете брати з блоку живлення, тим більше потужності буде розсіюватись в тепло. По перше це не дуже ефективно, а по друге - щоб транзистор не вийшов з ладу від перегріву, його додатково треба охолоджувати здоровенним радіатором, а можливо ще й вентилятором.

Тому такі блоки живлення зараз здебільшого зустрічаються в приладах які дійсно чутливі до високочастотних завад, в той час як звичайна побутова техніка використовує маленькі та ефективні імпульсні блоки живлення.

За основу свого блоку живлення я взяв ось такий величенний трансформатор з джерела безперебійного живлення. Можна звісно купити і новий, тороїдальний, його буде легше кріпити, але раз в мене вже є такий, його я і використаю. В даному випадку тоненькі дроти - це первинна обмотка, а товсті - вторинна. Знайти точно первинну обмотку можна по опору - зазвичай там, де опір найбільший - це і є крайні виводи первинної обмотки.

У випадку даного трансформатора це приблизно 8.9 Ом. Інші трансформатори в моїй колекції мають опір 16.8 Ом та 18.5 Ом.

Вторинна ж обмотка в потужних трансформаторах має настільки низький опір, що його навіть не виміряти мультиметром - для нього це виглядає як КЗ, і ми бачимо лише опір вимірювальних щупів.

Після трансформації, вторинна обмотка даного трансформатора видає приблизно 15В, але після випрямлення ці 15В збільшаться в корінь з двох раз. Тобто 15В змінної напруги перетворяться на приблизно 21В постійної напруги.

А враховуючи що мені для трансивера потрібно приблизно 14В, це цілих 7В які будуть перетворюватись на тепло! Звісно під навантаженням напруга трансформатора трохи просяде, але все ж таки, виходить не дуже ефективний сетап.

Але якщо підібрати напругу прямо в притик, то найменше просідання напруги в мережі призведе до того, що ваш блок живлення буде не в змозі видати потрібну вам напругу. Тож по хорошому треба спіймати баланс, а ще краще - комутувати первинну обмотку так, щоб на вторинній обмотці завжди була потрібна напруга, як це роблять в якісних лінійних лабораторних блоках живлення. Але для простенького блоку живлення це занадто складно.

Тепер поговоримо про точку стабілізації.

Вона зазвичай являє собою звичайний транзистор, на базі якого встановлено бажану напругу. Встановити цю напругу можна кількома способами, наприклад в малопотужних блоках живлення часто використовують звичайний стабілітрон. Але в потужних блоках живлення, транзистор, або навіть група паралельно включених транзисторів, можуть потребувати доволі значного струму на свою базу, щоб повноцінно працювати на великих навантаженнях, тож стабілітрон вже не так підходить.

Дуже популярним рішенням в таких випадках є стабілізатор напруги LM317.

Ця трьох-вивідна мікросхема містить в собі все що треба - стабілітрон для задання напруги, підсилювач для керування, ну і силовий транзистор для стабілізації напруги. Цього транзистора в ній вистачає навіть для того щоб живити деякі навантаження, ну а якщо струму вам недостатньо, то LM317 запросто можна використати для керування більш потужним транзистором, і тоді струму на його базі буде точно достатньо для нормальної роботи.

Саме таким шляхом я і збирався піти.

Мій трансивер в режимі передачі може споживати близько двох ампер, а інколи і майже до трьох доходить, тому я використав LM317 та транзистор TIP35 в якості стабілізатора. Зібравши все це на бредборді, я деякий час тестував схему, і в цілому, вона працювала. Допоки я випадково не закоротив вихід, і не спалив транзистор за 50 гривень))00

Таке мене не влаштовувало, то ж я почав думати, як можна легко обмежити струм щоб подібне не повторилось, і в цілому в мене навіть вийшла одна схема, яка наче навіть працює. Але тут я згадав, що маю чудову мікросхему - LM723.

Це по суті більш крута версія LM317. І хоч LM723 може видати лише 150 мА струму, за то вона має спеціальний вузол обмеження струму, а також більш стабільне джерело опорної напруги. Ну і те що вона видає лише 150 мА струму - зовсім не проблема, так як завжди можна поставити додатковий проміжний транзистор, який розкачає базу більш потужнішого транзистора. Тож я вирішив відмовитись від LM317 на користь LM723.

По ітогу, за пару вечорів в мене вийшла ось така схема. Давайте розглянемо її детальніше.

Пройшовши через кнопку SW1 та запобіжник F1, напруга з мережі потрапляє в трансформатор T1, де вона з 230В перетворюється на 15 змінних вольт. Далі, змінна напруга проходить через діодний міст D1 - двопівперіодний випрямляч, який робить зі змінної напруги, пульсуючу. Ця пульсуюча напруга потрапляє на конденсатори C1-C2, де вона перетворюється вже на постійну, але ще не стабілізовану - тобто вона буде залежати від напруги мережі. Відповідно від цієї постійної напруги і живиться мікросхема U1 - LM723, і починається найцікавіше - стабілізація. Через резистивний дільник R2-RV1-R5 мікросхема завжди моніторить напругу на виході, і в залежності від цього постійно змінює напругу на виводі Vout, який йде на базу транзистора Q1 - 2N2222. Це проміжний транзистор між мікросхемою, та основним силовим транзистором Q2 - TIP35C. Він потрібен для того, щоб гарантовано забезпечити базу TIP35C необхідним струмом. І хоч струму мікросхеми повинно вистачити і так, я вирішив перестрахуватись, і встановити додатковий транзистор.

Ну і відповідно TIP35С вже виконує силову стабілізаційну роботу - саме на ньому буде розсіюватись зайва напруга, тож важливо забезпечити його гарним радіатором. Після нього стоїть шунт R6 на 22 мОм. Його мета - обмежувати струм в схемі. По закону Ома, як тільки падіння напруги на даному шунті досягне 0.65 Вольт, мікросхема це побачить, і почне вживати необхідні заходи для зменшення струму шляхом зменшення напруги. Після шунта стоїть вихідний конденсатор C6, який накопичує вже стабілізовану напругу. Ну і також вольтметр і амперметр - MES1/MES2, куди ж без них.

Зверніть також увагу, що зворотній зв'язок по напрузі стоїть вже після шунта та амперметра. Я зробив так через те, що що на зовнішньому шунті, що на вбудованому в амперметр шунті - втрачається напруга. Тож якщо зворотній зв'язок буде стояти після них, то мікросхема буде видавати трохи більше напруги, щоб компенсувати ці падіння напруги. Ну і також я додав ще змінний резистор RV1, щоб вихідну напругу можна було трохи підлаштувати.

Стосовно вольтметра і амперметра - я вирішив використати ось такі, стрілочні. Вони на мою думку для такого блоку живлення підходять набагато краще, ніж світлодіодні. Більш того, їх можна збоку або згори підсвітити світлодіодом, і це буде набагато приємніше для очей, ніж семисегментні індикатори.

За пару вечорів для даної схеми я накидав ось таку плату. Тут нічого незвичного, окрім транзистора, який припаюється на зовнішній стороні плати. Як я вже й казав, він буде сильно грітись, тому йому треба гарне охолодження. Порившись в своїх запасах різних комп'ютерних радіаторів, я знайшов ось такий, Igloo 7200 Light, який доволі вдало підходить до цієї задачі:

В ньому можна просвердлити отвори, і прикрутити сюди транзистор - відповідно тому він і розташований зі зворотньої сторони - щоб плата притискала транзистор до радіатора, і той гарно охолоджувався.

Як можете бачити, всі доріжки тут розташовані з однієї сторони, тож за бажанням плату можна зробити і в домашніх умовах, але набагато кращим варіантом буде замовити виготовлення плат на PCBWay!

Саме так я і зробив, тож давайте поглянемо на плати:

Плати надійно запаковані в вакуумну упаковку з силікогелем для поглинання вологості. Це дуже важливо, адже від заводу до вас плати долають дуже довгий шлях, тож таке пакування надійно захистить покриття контактів на платі, і за час подорожі з ними нічого не станеться. Це вже третій проєкт, в якому я використовую плати від PCBWay, і в черговий раз вони не підводять та радують якістю. Тож особисто рекомендую вам звернутись до PCBWay!

Щож, платами помилувались, тепер час і компоненти запаювати. Нічого складного в цьому немає, і в мене не дуже поспішаючи, на це пішло близько 20 хвилин. Єдине доволі складе місце - це проміжний транзистор Q1. Проєктуючи плату, я обрав не дуже вдалий футпрінт, в якому ніжки знаходяться дуже близько одна до одної, тому з їх пайкою можуть виникнути труднощі, але з достатньою кількістю флюсу, все повинно бути гаразд.

Спаявши плату, мені не терпілось якомога скоріше все протестувати, тому я підпаяв дротики для підключення вольтметра та амперметра. Без амперметра подавати живлення на плату не слід, так як у мікросхеми буде відсутній зворотній зв'язок по напрузі. При подачі живлення через велику ємність виникає доволі відчутна іскра, і можна побачити що напруга таки стабілізувалась десь на приблизно 14.5В, саме так як я і хотів.

Але якщо це забагато, то напругу можна понизити змінюючи опір змінного резистора. Конкретно з моїми резисторами напруга регулюється десь від 12В до 14.5В.

Давайте спробуємо навантажити схему. Амперметр успішно відображає струм, тобто все працює як слід. Транзистор за такий короткий проміжок часу до речі зовсім не нагрівся, на відміну від резистора, яким я навантажував плату.

Тепер залишилось лише запхати все це в якийсь корпус, і крутий блок живлення готовий, подумав я. Алее, як завжди вилізла купа проблем, втім, поговоримо про це згодом.

Я обрав ось такий корпус, N11BW. Це єдиний корпус який підійшов мені за розмірами, і то, в притик. Такі корпуси мають в комплекті передню та задню панель, щоб покупець міг висвердлити в них потрібні отвори, та встановити необхідні прилади та органи керування. Але в мене з свердловкою завжди проблеми, та і одним лише свердлом не реалізувати того, що я хочу, тому я пішов іншим шляхом, та спроєктував в FreeCAD ось таку передню та задню панель:

Передня панель має спеціальний канал для світодіодів, щоб підсвітити вольтметр та амперметр. Відповідно є також отвори і під них, а також під кнопку. Задня ж панель має отвір під вхід 220В, вихід постійної напруги, ну і головне - отвір щоб вивести радіатор з корпусу. Це не тільки покращить охолодження, а ще й додасть місця всередині корпуса. Панелі були надруковані на 3D принтері.

Радіатор фіксується за допомогою гвинтів. Для вводу 220В я використав вхід під звичайний мережевий кабель "вісімка", а під вихід на трансивер - поки що звичайний 5.5мм на 2.1мм роз'єм. Ось така до речі кнопка буде встановлена спереду.

Вона має помаранчеву підсвітку, тож буде доволі гарно виглядати разом з підсвіткою приладів. А для підсвітки приладів я використав три послідовно з'єднаних помаранчевих світлодіоди.

Моєю старою камерою звісно дуже складно передати наскільки гарно це виглядає, але повірте, вживу виглядає просто неймовірно.

До речі щоб закріпити трансформатор всередині, я просвердлив в його ніжках отвори, і через них він буде прикручений до корпусу. Тепер саме час встановити транзистор на радіатор. Для цього я просвердлив в ньому отвори під гвинти.

Тут є дуже важливий момент - задня частина транзистора неізольована, і в даному випадку замкнута на колектор. Тобто якщо просто посадити її на радіатор, на ньому буде +20В постійної напруги. Це начебто і небагато, але все одно несе за собою певні ризики як для людини, так і для обладнання, тому транзистор бажано ізолювати.

Зробити це можна за допомогою спеціальних термопровідних прокладок. Їх можна знайти в старих ATX блоках живлення. Це звісно трохи погіршить теплообмін між транзистором і радіатором, але зато вбереже від проблем в майбутньому.

Запаяти остаток дротів та зібрати все до купи було вкрай важко, тож сподіваюсь ви не проти що я зробив це за кадром. Ось так виглядає цей крутий блок живлення. Тепер його можна і по прямому призначенню використати! Щоправда, як можете бачити, при навантаженні більше ампера, починає просідати напруга.

І чим більше струму, тим більше напруга просідає. Ледь не до одинадцяти вольт. З цим треба щось робити. Але так як такі просадки для мого трансивера нестрашні, я певний час поганяв блок живлення і так, і тут вилізла ще одна проблема!

За декілька годин роботи радіатор став доволі теплим, і це очікувано і нормально. А от що ненормально - так це те, що трансформатор нагрівся так сильно, що на ньому навіть неможливо втримати руку. Такого точно не повинно бути, тож я почав думати, що не так.

Через брак часу, на відладку цих двох проблем в мене пішло близько тижня!

Стосовно трансформатора - він схоже просто трохи несправний, можливо там є якесь міжвиткове замикання, бо він гріється навіть коли від нього живляться лише світлодіоди підсвітки та мікросхема, це близько 100 мА струму. Тож я просто замінив його на інший, і проблема перегріву зникла.

А от з просадкою напруги - цікавіше. Вона в даному випадку може просаджуватись через низку різних проблем:

• недостатня потужність трасформатора,
• недостатня пропускна здатність діодного моста,
• недостатня ємність на вході чи виході,
• завчасне спрацювання обмежувача струму,
• втрати на дротах чи доріжках.

Глядячи на трансформатор, думаю питань стосовно його потужності виникати не повинно. Струм діодного моста я також перевірив - тут теж проблем бути не має. Стосовно обмежувача струму - через невисоку точність подібних резисторів, він дійсно міг спрацьовувати не зовсім там де треба, але я заміняв в схемі цей шунт на звичайний товстий дріт, опір якого точно був менше за 0.22 Ом, і просідання нікуди не зникли. Втрати на доріжках та дротах теж можна виключити, бо доріжки я робив дуже товстими, і вольтметр міряє напругу прямо на платі - тобто якщо десь там далі на дротах напруга і просідає, вольтметр цього не покаже.

А от напруга на базі транзистора дійсно просідає! Щоправда, це не причина, а наслідок. Наслідок того, що напруга на вході в цілому просідає, через не дуже велику ємність. Щоб при великих струмах вхідна напруга стабільно трималась, ємність по розрахункам повинна бути взагалі якоюсь ненормальною:

Але на жаль під таку батарею конденсаторів в мене в корпусі нема місця. Щоправда, рішення таки є - просто занизити вихідну напругу, до, скажімо, 12.5В.

В такому випадку просідання вхідної напруги майже не впливає на вихідну напругу, і блоком живлення можна нормально користуватись. А якщо є достатньо місця, то можна збільшити вхідну ємність, і напруга не буде просідати і на 14В.

Чесно кажучи, я вже думав що треба буде називати статтю якось типу "не дуже вдалий блок живлення", але я дуже радий що вийшло вирішити всі проблеми, і по ітогу я отримав собі такий гарний блок живлення. З моменту як я зібрав його, я вже провів не один зв'язок в FT8 використовуючи цей блок живлення, і використовував його доволі довго, і радіатор хоч і ставав гаряченьким, але не перегрівався.

Він дуже автентично виглядає, не сліпить індикацією вночі, та забезпечує трансивер чистим струмом. Дуже цікаво спостерігати за стрілкою амперметра до речі, коли трансивер виходить на передачу.

А на цьому в мене все! Якщо що, гербер файли, схеми, і всяке таке - є на гітхабі, в репозиторії проєкта.

Post Scriptum

Це текстова версія ось цього відео.