Развязка по питанию усилителя своими руками
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 16.09.2024
Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.
Опасности переходного тока
Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.
Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.
Схема моделирования Временные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питания
Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).
Пульсации напряжения питания
Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!
На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.
Пульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источника
Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.
Пульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времени
Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.
Решение
Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.
Заряд и разряд
Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.
Схема моделирования Временная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряжения
Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.
Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.
Стандартный подход
Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.
Классическая схема блокировки пульсаций напряжения питания
Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.
Временная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторов
Идеал и реальность
На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.
Результаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторов
Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.
Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.
Нередко в радиолюбительской практике возникает необходимость гальванически развязать устройство воспроизведения и усилитель. Это может понадобиться, к примеру, при подключении носимого плеера к автомобильному музыкальному центру, когда и сам плеер запитывается от бортовой сети автомобиля через тот или иной адаптер.
Гальванически развязать устройства по питанию гораздо сложнее – нужно собирать как минимум импульсный преобразователь трансформаторного типа. Проще это сделать по звуковой частоте, собрав несложную схему, изображенную ниже.
Развязывающее устройство представляет собой два трансформатора (для левого и правого канала) с коэффициентом трансформации около 1. Единственный недостаток такой конструкции – высокая чувствительность к электромагнитным наводкам. Поэтому монтаж вторичных цепей нужно проводить только экранированным проводом (отмечено на схеме), а оба трансформатора поместить в жестяной экран.
В качестве Т1 и Т2 можно использовать железо от любых малогабаритных трансформаторов ЗЧ и даже малогабаритных сетевых. Все обмотки с трансформаторов снимаются, а вместо них наматывается провод диаметром 0.1 мм, сложенный вдвое (обе обмотки мотаются одновременно). Количество витков – до заполнения каркаса.
При распайке разъемов не забудьте про фазировку между каналами (начала обмоток помечены точками)!
Рекомендуемый контент
Нередко в радиолюбительской практике возникает необходимость гальванически развязать устройство воспроизведения и усилитель. Это может понадобиться, к примеру, при подключении носимого плеера к автомобильному музыкальному центру, когда и сам плеер запитывается от бортовой сети автомобиля через тот или иной адаптер. Гальванически развязать устройства по питанию гораздо сложнее – нужно собирать как минимум импульсный преобразователь трансформаторного типа. […]
В зоне неуверенного приема телевизионного сигнала для получения качественной картинки при просмотре телепередач приходится устанавливать на мачте внешнюю антенну, на вибраторе которой дополнительно устанавливается антенный усилитель. Установка дополнительно усилителя обеспечивает качественную картинку в телевизоре при удалении телевизионной передающей вышки до 100 км.
Большое распространение получили антенные усилители линейки SWA благодаря высокой надежности и низкой цене. Они выпускаются на разный диапазон каналов и разным коэффициентом усиления, от 34 до 43 дБ в дециметровом диапазоне и от 10 до 15 дБ в метровом диапазоне. На фотографии усилитель типа SWA-555/LUX.
Антенный усилитель телевизионного сигнала SWA необходимо запитать постоянным напряжением 12 В. Существует схемное решение, позволяющее подавать на телевизионный усилитель напряжение питания по коаксиальному кабелю одновременно с телевизионным сигналом. На фотографии показано как подключить телевизионный провод к антенному усилителю SWA.
Центральная жила зажимается одним винтом, а экранирующий провод зачищается от изоляции, заворачивается и зажимается винтами с помощью планки. Тут главное не допустить замыкание проводов экрана с центральной жилой. Таким способом подключаются антенные усилители любого типа, установленные непосредственно на антенне.
В продаже имеются специальные блоки питания - адаптеры с переходниками, позволяющие подать питание на антенный усилитель. На фотографии один из них. Подключить такой адаптер просто, в один коаксиальный провод вставляется кабель, идущий от антенны, во второй – кабель, идущий к телевизору. Сам адаптер вилкой вставляется в розетку. Попутать провода при подключении невозможно, на выходящих из адаптера коаксиальных проводах надеты разные разъемы, исключающие ошибочное подключение.
Блок питания – адаптер для антенного усилителя
Если открыть любой блок питания с адаптером, то Вы увидите силовой трансформатор, четыре диода, электролитический конденсатор, простой конденсатор, дроссель и микросхему – стабилизатор напряжения.
Все детали схемы развязки, кроме силового трансформатора, установлены на печатной плате.
Электрическая принципиальная схема блока питания
для антенного усилителя с адаптером
Представленный выше на фотографии блок питания - адаптер для питания антенного усилителя собран по классической электрической принципиальной схеме. Сетевое переменное напряжение 220 В подается на силовой трансформатор Т1, который понижает его до 12-15 В. Диодный мост VD1-VD4 выпрямляет напряжение, электролитический конденсатор C1 сглаживает пульсации, после чего постоянное напряжение величиной около 16 В поступает на интегральный стабилизатор напряжения DA1.
Для исключения потерь видеосигнала и пропадания постоянного напряжения на вход телевизионного приемника предусмотрен LC-фильтр, выполненный на элементах L1 и C3. Дроссель L1 не пропускает высокочастотный телевизионный сигнал на схему блока питания, но без потерь позволяет постоянному току поступать на центральную жилу телевизионного кабеля, идущего от телевизионного антенного усилителя. Конденсатор C3 предотвращает протекание постоянного тока от блока питания на вход телевизора, но без потерь пропускает телевизионный сигнал.
При самостоятельном изготовлении блока питания с адаптером детали можно использовать любого типа. Обычно потребляемый ток антенных усилителей не превышает 150 мА, что составляет менее 2 ватт, поэтому трансформатор для блока питания подойдет любой мощности с выходным напряжением 15-18 В. Дроссель можно изготовить, намотав на диэлектрическое основание, например полоску стеклотекстолита шириной 5 мм, 25-30 витков эмалированного медного провода диаметром 0,1-0,5 мм.
Недостатки представленной конструкции блока питания с адаптером
К недостаткам блока питания – адаптера такой конструкции можно отнести наличие неэкранированного участка центральной жилы телевизионного кабеля в месте запайки в печатную плату, что при наличии помех, например от работающего пылесоса, может привести к наводке их на видеосигнал. Проникновение помех можно исключить, установив на печатной плате в месте пайки проводов дополнительный экран.
Самостоятельное изготовление адаптера
для подачи питающего напряжения на антенный усилитель
Переходник-адаптер, с более широкими техническими возможностями можно сделать своими руками из любого антенного краба-разветвителя. Если необходимо запитать телевизионный усилитель и одновременно подключить к антенне несколько телевизоров, то это несложно сделать, дополнив схему краба всего тремя деталями, которые будут выполнять функцию развязки.
Устройство и схема краба
Телевизионный краб представляет собой металлическую коробку с F-разъемами. Внутри, на центральных выводах разъемов распаяны детали (высокочастотные трансформаторы) разветвителя телевизионного сигнала. Высокочастотный трансформатор представляет собой по форме кольцо или трубку из феррита с магнитной проницаемостью 600-2000, на которые намотаны от 1 до 10 витков эмалированного провода диаметром 0,2-0,3 мм равномерно расположенные по всей окружности.
На фотографии краба, с которого снята задняя крышка, хорошо видно как распаяны ферритовые трансформаторы для подключения трех телевизоров. Этот краб собран по ниже приведенной Электрической принципиальной схеме.
Все выпускаемые крабы собраны по приведенной электрической принципиальной схеме, могут быть незначительные отклонения – установлены дополнительно разделительные и фильтрующие конденсаторы, дросселя, согласующие резисторы.
Как самому сделать адаптера
для подачи питающего напряжения на антенный усилитель
При изготовлении адаптера для подачи питающего напряжения на антенный усилитель с развязкой, я решил не устанавливать дополнительный разъем для подключения блока питания, а использовать один из разъемов для подключения F-штекера. Для этого пришлось удалить один из трансформаторов, ограничив возможность краба подключением только двух телевизоров.
В результате переделки к крабу можно будет подключать только два телевизора, и его схема изменилась.
Осталось установить в крабе LC-фильтр и адаптер будет готов для применения. Так как корпус краба выполнен из дюралюминия, то соединить вывод конденсатора к нему пришлось через дополнительно установленную латунную клемму, прикрученную к корпусу адаптера с помощью винта и гайки с фасонной шайбой.
В результате доработки, электрическая принципиальная схема краба приобрела следующий вид. Как видно из схемы, трансформатор Т1 остался родной, а добавились дроссель и два конденсатора.
Для лучшего согласования схемы можно между выходными выводами XW2 и XW3 припаять резистор величиной 150 Ом. Устанавливать адаптер можно в любом удобном месте, непосредственно у одного из телевизоров, или например, у входа кабеля в квартиру. Если нужно подключить только одни телевизор, то трансформатор Т1 можно удалить, а правый вывод конденсатора С1 припаять непосредственно к центральному выводу одного из разъемов XW2 или XW3, к которому и подключать кабель, идущий к телевизору.
Подключение блока питания к адаптеру
Так как я решил подключить блок питания к крабу через один из его F-разъемов, то для реализации этой идеи пришлось сделать переходник с обыкновенного двойного провода идущего с блока питания на коаксиальный кабель.
Для этого нужно взять отрезок антенного кабеля длиной 5 см, разделать его одни конец и надеть F-накрутку. Ко второму концу, как показано на фотографиях, припаять со сдвигом провода, идущие от блока питания. Положительный вывод припаивается к центральной жиле антенного кабеля.
Если не хочется возиться, то можно установить в корпусе краба стандартный разъем для подключения блоков питания и через него подавать напряжение на антенный усилитель через сделанный своими руками адаптер.
Цепи развязки применяют для того, чтобы устранить паразитную обратную связь между каскадами через общий источник питания. Цепи развязки используют также в качестве схемы частотной коррекции усилителя для компенсации потерь усиления на низких частотах. Кроме того, такие цепи обеспечивают требуемый режим питания цепи коллектора по постоянному току. В связи с этим цепи развязки часто находят применение в различных звуковых и радиочастотных усилителях.
Рис. 1.8. Схема развязки по питанию.
В НЧ-усилителе (рис. 1.8) в качестве развязывающей цепочки используются резистор R3 и конденсатор С3. Конденсатор имеет малое реактивное сопротивление для сигнала (особенно на высоких частотах) и поэтому уменьшает паразитную связь через источник питания.
Резистор R2 является нагрузкой, на которой выделяется сигнал, передаваемый на следующий каскад. Конденсатор С3 шунтирует резистор R3 и таким образом заземляет сигнал, поскольку имеет для него малое реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление конденсатора различно на разных частотах — для высокочастотных составляющих сигнала оно меньше. По этой причине развязывающая цепь действует как схема частотной коррекции, которая при изменении частоты сигнала меняет сопротивление нагрузки транзистора. На высоких частотах, где реактивное сопротивление конденсатора мало, конденсатор С3 в сильной степени шунтирует резистор R3, поэтому почти все напряжение сигнала выделяется на резисторе R2. Поскольку разделительный конденсатор С2 также имеет малое реактивное сопротивление на высоких частотах, большая часть сигнала поступает на следующий каскад. Однако на низких частотах реактивное сопротивление С2 возрастает, поэтому амплитуда сигнала, поступающего на следующий каскад, уменьшается, т. е. низкочастотные сигналы ослабляются. Цепочка R3C3 осуществляет развязку до тех пор, пока на низких частотах не ослабляется шунтирующее действие конденсатора С3. В этом случае сигнал выделяется как на R2, так и на Rз и общая величина сопротивления нагрузки увеличивается, так же как возрастает и падение на нем напряжения сигнала. Это увеличение амплитуды сигнала компенсирует ослабление, вызываемое разделительным конденсатором С2. Таким образом, развязывающая цепочка имеет разные параметры для разных частотных составляющих сигнала.
На практике величину сопротивления R3 выбирают из условия Rз = 0,2R2, и Rз должно быть примерно в 10 раз больше реактивного сопротивления С3 на самой низкой частоте, которую должен пропускать усилительный каскад. На рис. 1.8 приведена часть схемы усилителя с типичными значениями элементов. В усилителях радиочастоты величина емкости может быть значительно меньше, так как для ВЧ-сигналов реактивное сопротивление емкости существенно ниже.
Читайте также: