А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

• Название: Семь шагов в электронику
• Автор: А. Черномырдин
• Издательство: "Наука и Техника"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-94387-853-4

Впервые на российском рынке появилась радиолюбительская книга с видеокурсом. Разработки автора книги и его статьи широко известны читателям самых популярных журналов для радиолюбителей. А эта практическая книга им написана для тех, кто вступил на сложный и интересный путь от «чайника» до «профи» — ведь двигаться на этом пути очень трудно! В легкой и доступной форме в книге разбираются устройство и принципы работы семи различных конструкций. Устройства помещены в порядке возрастания сложности, осваиваются шаг за шагом.

Изюминка книги и в том, что конструкции каждого Шага созданы автором в нескольких вариантах на различной элементной базе — или на транзисторах, или на микросхемах, или на микроконтроллерах, — чтобы можно было наглядно увидеть и сходство, и различия между схемными решениями. Там, где какие-то схемотехнические варианты нереализуемы (например, усилитель на микроконтроллере), их, естественно, в книге нет. Интересны и реальные конструкции в ретро-варианте: на лампах, реле, тиратронах — такими они были во времена наших отцов и дедов.

Все рассмотренные конструкции автор разработал, изготовил, проверил и заставил работать — подтверждением тому многочисленные ролики, содержащиеся на приложенном к книге диске. Книга будет интересна всем читателям, желающим расширить свои знания и практические навыки в радиоэлектронике.

Книга сопровождается диском, на котором записан видеокурс, видеоролики с демонстрацией работающих конструкций, имеется разводка печатных плат всех конструкций в электронном виде. Для всех конструкций на микроконтроллерах на диске приводятся программы с исходниками. Диск содержит большое количество справочной информации для радиолюбителей.

---

Результат не может не радовать, хотя достигнут заменой на заведомо «излишние» по своим характеристикам компоненты!

А теперь — стабилизатор напряжения накала

Да, теперь нужно делать именно его. Для начала нужно определиться, каких характеристик мы от него ждем. Очевидно, выходное напряжение стабилизатора должно быть равным 6,3 В. Очевидно, что он должен обеспечивать ток не менее 3 А (а лучше больше) — именно такие величины мы использовали в предварительном расчете. И — самое главное, — этот стабилизатор должен ограничивать первоначальный бросок тока, потому что делать почти десятикратный запас по мощности для цепей накала нам совершенно ни к чему.

Как обычно, первое, с чего нужно начать разработку новой схемы, — это поискать готовые решения. В данном случае нас интересуют «импульсные Step-Down». Ведь городить линейный стабилизатор на ток в несколько ампер — значит гарантированно заполучить гигантский радиатор.

Но тогда как в таком случае будет выглядеть наша предыдущая борьба за уменьшение тепловыделения? Совершенно верно, она будет выглядеть полной глупостью! В результате поиска мы почти гарантированно «нарвемся» на массу схем с применением микросхемы МС34062 (отечественный аналог — К1156ЕУ5). Слов нет, микросхема, несмотря на давность разработки, и поныне весьма популярна, но, увы, — ей для нормальной работы потребуются мощные биполярные транзисторы, которые совсем не хотелось бы применять.

И вот тут наше внимание привлекает не слишком известная микросхема TPS40200. Она имеет все, что нам надо — плавный пуск, входы обратной связи и токовую защиту, хотя и требует для работы полевого транзистора с Р-каналом (отечественных аналогов таким транзисторам вообще не существует, да и характеристики транзисторов с Р-каналом всегда немного похуже, чем характеристики транзисторов с N-каналом). В даташите на микросхему имеется и типовая схема включения, так что задача представляется совсем несложной — спаял, убедился в работоспособности, и почил на лаврах. Итак, вот такую схему мы соберем для стабилизатора напряжение накала (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Предварительная схема стабилизатора напряжения накала

Стабилизатор. Первый прогон

Схема стабилизатора нарисована, типы и номиналы компонент выбраны, дроссель намотан, печатная плата разведена и вытравлена, схема спаяна. Теперь вновь, как и ранее, проверяем схему на качество пайки и отсутствие замыканий. Затем подключаем к выходу стабилизатора лампу накаливания на 6,3 В, на вход Стабилизатора подключаем аккумулятор на 12 В, и — о чудо! — все заработало с первого включения! Вот что значит типовая схема! Теперь остается самая малость — проверить его работу на реальном усилителе. Подсоединяем вместо лампы накаливания наш ламповый усилитель, подаем питание и ждем, когда нагреются лампы.

Кажется, наше ожидание несколько затянулось…

В самом деле, прошло уже минуты три, а лампы и не думают нагреваться. Ну что же, давайте проверять схему. Первое, что надо посмотреть — выходное напряжение. Берем вольтметр и замеряем напряжение на выходе стабилизатора.

Удивительно, но на выходе всего лишь около 0,1 В! Что это может быть — очередное короткое замыкание? Или же это схема работает в каком-то странном режиме?

Увы, мы с вами снова наступили на те же самые грабли, на которые наступали неоднократно до этого, и, к великому сожалению, будем наступать еще не один раз. Итак, что мы имеем:

♦ мы собрали схему стабилизатора на основе рекомендуемой даташитом типовой схемы;

♦ мы проверили работу схемы на лампе накаливания и убедились в том, что она работает так, как надо;

♦ мы подключили схему к реальной нагрузке и убедились, что она перестала работать.

А вот теперь мы начинаем строить гипотезы, что же такое вдруг случилось с этой схемой, что она перестала работать? А ведь вместо построения гипотез мы должны были задать себе совсем другой вопрос — где ошибка в наших представлениях о работе конструкции!

Повторим мысленно то, о чем мы совсем недавно говорили — не бывает ошибочных конструкций, бывают ошибочные преставления об их работе! Конструкция, к нашему с вами сведению, всегда права. Если она выдает на выход 0,1 В напряжения, значит, именно это она и должна делать в данной конкретной ситуации, а то, что это никак не согласуется с нашими ожиданиями — так это проблема наших ожиданий, а вовсе не проблема работы конструкции. И наша с вами задача — не «измысливать» гипотезы — одна другой краше, — что там не так с электронами, а увидеть (подчеркну — не понять, а именно увидеть), в чем именно наши представления расходятся с действительностью.

А что нужно сделать для того, чтобы увидеть проблему?

Совершенно верно — нужно надеть себе на нос радиолюбительские «волшебные очки», иными словами, взять в руки осциллограф. И вот это — еще одно неписаное правило при разработке новых конструкций: первый прибор, которым мы лезем в схему, должен быть только осциллографом.

Второй, третий и прочие — по обстоятельствам, но первый — только он! Конечно, из этого правила есть исключения, например ВЧ и СВЧ техника — там осциллографы стоят такие деньги, что БМВ покажется детской игрушкой, — но исключения эти только подтверждают правило. Итак, собираем схему (рис. 8.14), подаем питание и смотрим, что у нас на выходе…

Рис. 8.14. Схема проверки стабилизатора

Превратности типовой схемы

А на выходе у нас получается очень интересная картина. Там, оказывается, вовсе не 0,1 В, как показал нам вольтметр, а очень короткие пачки буквально из нескольких импульсов вполне себе немаленькой амплитуды (точка А). И вот это сразу наводит на определенные размышления — это, возможно, срабатывает токовая защита. Ведь мы, исходя из соображений максимального потребления тока в рабочем режиме, рассчитали резистор в цепи истока под ток в 4 А, а при пуске этот ток будет раз в 5—10 больше (что мы уже установили экспериментальным путем, спалив один блок питания).

Кстати, зададим уж себе один, в высшей степени любопытный, вопрос: а какую причину мы отыскали бы, если бы начали делать выводы из показаний вольтметра? Утечка через канал транзистора?

Обратный ток через диод? Любые измерительные устройства, кроме осциллографа и некоторых весьма специальных приборов, всегда выдают в качестве результат измерений некие усредненные (интегральные) показатели.

В этом смысле наш вольтметр нам не наврал — среднее значения напряжения на выходе, наверное, и есть 0,1 В, вот только выводы из этого мы делаем совершенно превратные. Так же и частотомер, на входе которого каждые полсекунды присутствует частота 100 кГц, измерит ее как 50 кГц, и, в принципе, будет совершенно прав, вот только выводы из его показаний мы тоже сделаем совершенно превратные.

Как проверить наше предположение о срабатывании токовой защиты? Есть, очевидно, два пути:

♦ отключить эту самую токовую защиту, временно замкнув резистор в цепи истока полевого транзистора;

♦ попробовать подключить к нашему устройству меньшую нагрузку и посмотреть, как он на это отреагирует.

Первый путь сам по себе очевиден, но отключать защитные цепи в любом устройстве — это почти всегда лотерея: может повести, а, может, и нет. Второй путь мне кажется попроще — для этого нужно просто извлечь три лампы из четырех, и вновь выполнить прогон. Извлекаем, выполняем прогон.

Ждать пришлось довольно долго — почти пару минут, — но, в конце концов, нить накала лампы все-таки засветилась. На экране осциллографа при этом наблюдалась любопытная картина — длительность пачки импульсов по мере работы все увеличивалась и увеличивалась, и, наконец, режим «пачек» исчез, уступив место нормальному меандру без каких-либо перерывов. И, кажется, у нас уже есть этому объяснение.

Всякий раз при прохождении небольшой пачки импульсов нить накала лампы все-таки успевала слегка разогреться, а, следовательно, и немного увеличить свое сопротивление. Последующая пачка импульсов была уже немного подольше, потому что токовая защита срабатывала попозже, и таким образом, мало-помалу, нить накала и разогрелась до нормальной рабочей температуры.

А отсюда — и практическая идея — нужно сделать так, чтобы пуск устройства был еще более мягким, чем у нас есть сейчас, т. е. напряжение на выходе устройства нарастало бы намного медленнее, чем сейчас. Для этого, согласно даташиту, нужно существенно увеличить емкость конденсатора, подсоединенного к выводу «мягкого старта» микросхемы (на схеме он обозначен как SS). Но здесь нам придется основательно задуматься.

Дело в том, что емкость этого конденсатора нельзя увеличивать выше определенного предела. Практически во всех микросхемах, где в том или ином виде реализован «мягкий старт», параллельно этому конденсатору внутри микросхемы подключен транзистор, предназначенный для экстренного разряда конденсатора (например, при срабатывании токовой защиты). В этом случае после устранения перегрузки микросхема вновь сможет выполнить «мягкий старт». Но если емкость этого конденсатора окажется слишком большой, такой экстренный разряд может просто-напросто вывести транзистор из строя! И в результате у нас возникает дилемма — нужно ставить конденсатор большой емкости и нельзя ставить конденсатор большой емкости. Как быть?