Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками

Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 149

Когда нету под рукой качественного генератора синусоидального сигнала - как отлаживать усилитель, который ты разрабатываешь? Приходится обходиться подручными средствами.

В этой статье:

  • Высокая линейность при использовании бюджетного ОУ 
  • Точная система АРУ, вносящая минимум искажений
  • Возможность работы от батарейки: минимум помех

Предыстория

В начале тысячелетия подались мы всем семейством на житьё-бытьё в дальние страны. Кое-что из моих электронных запасов последовало за нами, но, увы, далеко не всё. Итак оказался я один на один с большими собранными мною, но совсем ещё не отлаженными моноблоками, без осциллографа, без генератора сигналов, с огромным желанием завершить тот проект и слушать наконец музыку. Осциллограф удалось выпросить у друга во временное пользование. С генератором надо было срочно что-то изобретать самому. По тем порам я ещё не освоился с доступными здесь поставщиками компонентов. Из случайно оказавшихся под рукой операционников было несколько неудобоваримых продуктов древне-советской электронной промышленности, да LM324, выпаянный из сгоревшего компьютерного блока питания.
LM324 datasheet: , , ... Обожаю читать даташиты от National - у них обычно масса интересных примеров применения деталюх. OnSemi в данном случае тоже подсуетились. А вот "Цыганёнок" что-то обделил своих приверженцев 🙂

Внимание: автор ни в коем случае не рекомендует использование LM324 при повторении конструкции. Целью написания данной статьи было желание поделиться несколькими рабочими приёмами в схемотехнике, которые могут оказаться полезными в других приложениях. При повторении данного генератора, пожалуйста, выбирайте современные, более качественные ОУ.

Классика жанра

, вне сомнений хорошо известен и распространён среди любителей и профессионалов. Предлагаемое в данной статье решение содержит пару интересных трюков и позволит даже начинающему радиолюбителю без особых проблем и из доступных компонентов собрать генератор, вырабатывающий синусоидальный сигнал с исключительно низким коэффициентом гармоник.

Генератор с мостом Вина

Частота данного генератора, при условии R1=R2 и C1=C2 будет определяться следующей формулой:

На данной частоте коэффициент передачи фильтра (выделен зелёным) будет максимален и равен 1/3 при нулевом фазовом сдвиге. Следовательно, коэффициент усиления, задаваемый цепью отрицательной обратной связи R3 и R4 должен быть в точности равен 3. Для случая идеального ОУ: R4 = 2 R3.
К сожалению, в реальной жизни не бывает идеально точных резисторов и конденсаторов, да и коэффициент усиления реального операционного усилителя не бесконечен. При малейшем отклонении от идеальных параметров генерация либо затухает, либо уходит "в разнос" до совершенно неприемлемого уровня искажений.

Автоматическая Регулировка Коэффициента Усиления

Решение проблемы обеспечения требуемого Ку давно известно: применить в качестве R3 или R4 какой-нибудь нелинейный или управляемый элемент, который будет подстраиваться таким образом, чтобы обеспечить заданный Ку при некоем определённом размахе выходного сигнала. Обычно ставят терморезисторы, миниатюрные лампочки, оптроны, либо полевые транзисторы (наш случай). Для достижения низкого THD необходимо обеспечить, чтобы нелинейность данного управляющего элемента не проявлялась на частотах генерации. Для лампочек и терморезисторов на частотах генерации от десятков Герц и выше это условие легко выполнимо за счёт тепловой инерционности оных. Полевым же транзистором необходимо управлять используя детектор с сообразно большой постоянной времени.

 

Почти реальный генератор с мостом Вина

Схема, приведённая выше, скорее всего, будет работать. Фиолетовым выделен пиковый детектор. VT1 выполняет роль R3 из предыдущего примера. Схема запускается уверенно, так как при включении на затворе VT1 присутствует нулевое напряжение с разряженного C3 - канал открыт, следовательно Ку максимальный. По мере заряда C3 канал запирается, Ку уменьшается и в идеале схема находит тот самый баланс, при котором Ку равен трём и генератор вырабатывает неискажённую синусоиду.

Но есть всё же две проблемы:

Во-первых, петлевое усиление "сине-фиолетовой" цепи Автоматического Регулирования Уровня сигнала слишком большое и возможно возникновение низкочастотных колебаний с постоянной времени АРУ, заданной R7C3. Проявляться это будет в прерывистом и искажённом сигнале на выходе: то есть генерация, то нету, и так по кругу.

Во-вторых, все нелинейности канала сток-исток VT1 в полном объёме будут замешаны в выходной сигнал.

 

Повышаем устойчивость АРУ и линейность

Решение обеих проблем достаточно тривиально: "позволить" полевому транзистору изменять общий Ку лишь в небольших пределах, скажем примерно от 2.5 до 3.5. В финальном варианте генератора через канал транзистора протекает лишь незначительная часть тока цепи ООС. Таким образом резко снижается влияние нелинейностей канала на форму генерируемого сигнала. Уменьшению искажений способствует и тот факт, что в данном включении размах напряжения на канале составляет лишь небольшую долю от того, что было в "сине-фиолетовом" варианте. Так же снижается и петлевое усиление цепи АРУ. Схема надёжно выходит в режим генерации и стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Генератор синусоидального сигнала с малыми искажениями
  • R1, R2 = 100 кОм
  • C1, C2 = 1 нФ = 1000 пФ
  • R4 = 10 кОм
  • R3 = 3.9 кОм
  • R5 = 3 кОм
  • VT1 = КП103И
  • R6 = 470 Ом
  • C3 = 2.2 мкФ
  • R7 = 1 МОм
  • R8 = 10 кОм

В качестве VT1 можно применить практически любой p-канальный J-FET. От его порогового напряжения будет впрямую зависеть амплитуда генерируемого сигнала. Возожно использовать и n-канальный J-FET - они более доступны; для этого необходимо только сменить полярность (перевернуть) VD1 и C3. Если амплитуда на выходе окажется недостаточной, то вполне можно второй ОУ использовать для небольшого усиления амплитуды сигнала.

Данная схема, как она есть, будет работать отлично... если применить топовые модели операционных усилителей.

 

Выходной каскад бюджетного ОУ - в честном классе А

С применением LM324 ожидались проблемы в виде переключательных искажений в районе смены полярности тока на выходе ОУ. Решено было пресечь всяческие поползновения подобного рода на корню: поставить нагрузочные источники тока по выходу каждого операционного усилителя, выведя тем самым выходные каскады оных в честный класс "А".

Источники тока для загрузки выходов ОУ
  • R9 = 6.2 кОм
  • VT2-VT4 = КТ503

VT2-VT4 можно взять любые маломощные npn, желательно из одной партии, или просто подобрать так, чтобы токи коллекторов были приблизительно одинаковыми. В данном применении нам не важны ни температурная стабильность Источников Тока, ни точность абсолютного значения токов, ни даже линейность или высокое динамическое сопротивление - операционный усилитель подкорректирует все перекосы. Существенное преимущество данной схемы ИТ заключается в очень низком минимальном рабочем напряжении на выходе: практически равном напряжению насыщения транзистора при данном токе.

 

Батарейное питание

Для того, чтобы избежать всевозможных наводок на входе тестируемого устройства, очень хотелось запитать генератор от батареек. Удобнее всего работать с 4 щелочными элементами - и доступно, и 6Вольт - уже вполне высокое напряжение, чтобы подходящий операционный усилитель мог ни в чём себе не отказывать 🙂
LM324 успешно работает уже от +-1.5В и документация заявляет возможность работы и по входам и по выходу на уровне отрицательного источника. Правда, 50мкА току при напряжении на выходе вблизи V- явно маловато. Но при использовании ИТ "подпорок", описанных выше, получаем уже 1мА при напряжении на выходе (V-)+(0.3В) и более - вполне достаточно для нагрузки в 10 кОм.

Даже при батарейном питании 6 Вольт и размахе напряжения на выходе всего 2 Вольта от минимума до максимума - желательно оставить примерно одинаковый запас по напряжению в обе стороны (полярности) относительно земли. К уровню V- выходы ОУ, благодаря внешним ИТ, могут приближаться достаточно близко, но вот до положительной "рельсы" V+ вольта полтора не дотягивают. Простенький делитель на схеме ниже устанавливает уровень виртуальной земли примерно в центре рабочей зоны по напряжению для ОУ, причём при любом допустимом напряжении питания.
Красный светодиод выполняет двойную функцию: задаёт 1.7 Вольта дополнительного напряжения между виртуальной землёй и V+, а так же - он ещё и светится!

Формирование виртуальной земли со сдвигом
  • VD2 = красный светодиод 1.7 Вольта
  • R10, R11 = 2 кОм
  • C10, C11 = 0.1 мкФ (керамика или плёнка)
  • C12, C13 >= 10 мкФ

 

Тестируем, тестируем...

Отлаживал я этот генератор за несколько заходов, да и давно это было, так что уже не справлюсь описать все шаги, доведшие меня до такой жизни 🙂
Для того, чтобы убедиться в полезности нагрузки ОУ источником тока - приведу осциллограмму выходного сигнала этого генератора с отключёнными источниками тока (закоротил временно базы и эмиттеры транзисторов).

LM324 без токовой "подпорки" => переключательные искажения

Самая большая беда на данной картинке - так горячо "любимые" строителями усилителей в классе АБ переходные искажения.
Ограничение сигнала снизу, конечно, тоже неприятно, но от него легко избавиться просто подав более высокое напряжение питания на схему. Так что настоятельно рекомендую не полениться и поставить источники тока, подгружающие ОУ по выходам.

Результат

Ранее что-то не задалось у меня с измерениями искажений. Много позже, когда пообзавёлся HiRes ЦАП-АЦП, перемерил. Получилось не то, чтобы плохо, но как источник для измерения Кг в аудио данная схема явно не тянет. Синус схемка выдаёт, конечно, красивый.

Мост Вина + LM324 + CCS: сигнал на выходе

Результаты обмеров:
THD 1.5%,

2-я гармоника -36дБ, 3-я -64дБ, 4-я -89дБ.

На одной макетке ужились два генератора - синусоидального и пилообразного сигналов:

TLС555CP + LM324 = два генератора

 

На самостоятельную проработку 😉

Вместо фиксированных C1C2 и R1R2 вполне возможно поставить переключаемую линейку конденсаторов, а так же сдвоенные потенциометры - и получится широкодиапазонный генератор синусоидальных сигналов с низким коэффициентом гармоник.

Настоятельно рекомендую использовать защиту по питанию: подробное описание в статье о том, как использовать МОП транзистор для защиты от переполюсовки питания.

 

Помоги автору!

В этой статье были показаны несколько несложных приёмов, позволяющих добиться весьма качественной генерации и усиления синусоидального сигнала, используя широко распространённый недорогой операционный усилитель и полевой транзистор с p-n переходом:

  • Ограничение диапазона автоматической регулировки уровня и уменьшение влияния нелинейности регулирующего элемента;
  • Смещение выходного каскада ОУ в линейный режим работы;
  • Выбор оптимального уровня виртуальной земли для работы от батарейного питания.

Всё ли было понятно? Нашел ли ты что-либо новое, оригинальное в этой статье? Мне будет приятно, если ты оставишь комментарий или задашь вопрос, а так же - поделишься статьёй с друзьями в социальной сети, "кликнув" соответствующую иконку ниже.

 

Дополнение (Октябрь 2017) Попалось на просторах Сети: . Сделал два вывода:

Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 80 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 71 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 147 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 75 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 113 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 148 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 179 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 99 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 179 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 114 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 176 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 150 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 143 Шим регулятор постоянного тока 12в своими руками 29