Kui keegi juhtus lõpuni lugema kõrvaklapivõimendit käsitleva artikli siis võiks meeles olla, et artikli lõpus komistasin ma toiteploki probleemi otsa. Plaanis oli ehitada võimendi, mis kasutaks toiteks väikest 9V toiteadapterit. Juhtus aga et odavamapoolne impulstoiteplokk sisaldas väljundis lisaks alalisvoolule veel üpris tugevat müra.

Sellest sündis plaan ehitada endale ise tavaline lineaarse pingeregulaatoriga stabiilse pingega toiteplokk. Seame tingimuseks, et väljundpinge peab olema 9V ja maksimaalne vool 500mA. Seade saab toidet elektrivõrgust ning ettevaatus sellega töötamisel on oluline. Enne, kui artikli kallale lähen, käin läbi mõned ohutusnõuded.

1. See aparaat peab saama plastikust karbi. See koht, kus pistik ühendub transformaatori külge peab olema varjus sedasi, et sellele näpuga ligi ei saa. Kui sul on kodus allameetri tegelasi veendu, et ka sukavarda või naelaga ligi ei saa.
2. Aparaati ei tasu näppida, kui see on elektrivõrku ühendatud. Kui sa seda ilmtingimata pead tegema seadme töö uurimiseks siis veendu, et sa ei satuks trafo primaarmähise kontaktide lähedale.
3. Kui vähegi võimalik korralda nii, et sa ei ole majapidamises üksi ajal kui seda aparaati pingestad. Ning ära jäta seadet elektrivõrku, kui toast ära lähed või magama heidad.

Siin artiklis laon ma skeemi maketeerimisalusele. Seda selleks, et ma saaksin järgmises artiklis õpetada trükkplaadi disainimist ja valmistamist.

Trafo

Selleks, et saada võrgupingest (230V pingega vahelduvvool sagedusega 50Hz) midagi mugavamat on välja mõeldud transformaator ehk trafo. Trafo on pinge muundamise masin, mis töötab vahelduvpingel. See on seadeldis, kus kaks või enam mähist krutitakse ümber ühise suletud metallkontuuri. Võrgupinge rakendatakse primaarmähisele ning tekkiv vool indutseerib magnetvoo trafometallist südamikus. See magnetvoog omakorda indutseerib pinge sekundaarmähises. Sekundaarmähise pinge paneb paika mähiste keerdude arvu suhe.

Meie valime trafot kahe parameetri järgi. Esimene ongi primaar ja sekundaarmähise pinge. Minu valitud trafo puhul on see 230VAC/12V. Teine asi mis meid huvitab on trafo võimsus. Seda antakse nii voltamprites VA, kui ka lihtsalt vooluna. Minu trafol on see 18VA ehk 1.5 A (18VA / 12V = 1.5A).

Valisin väljundiks 12V, sest see annab paraja varu minu vajamineva 9V suhtes.

Trafol mille ma valisin on veel mugavad kruviklemmid, mis teevad juhtmete ühendamise lihtsaks. Samuti on trafol primaarmähise poolel sulavkaitse.

Dioodsild ja silumine

Trafost tulev pinge on siiski veel vahelduvpinge. Meil on tarvis alalispinget. Meil on tarvis, et vool, mis voolaks kord ühes kord teises suunas, voolaks alati ühes suunas. Selleks võtame appi skeemi, milleks on dioodsild.

See on lihtne neljast dioodist koosnev ahel, mis tagab, et suvalise polaarsusega sisendist saaks see polaarsus, mis sul tarvis on.

Välja tuleb aga pulsseeriv signaal. See on küll juba alalisvool selles mõttes, et ta ei muuda suunda. Küll aga kipub see minema väga lähedale nullile, kui sisendpinge parasjagu polaarsust muudab. Selleks, et seda pulseerimist vähendada tuleb dioodsilla väljundisse ühendada kondensaator. Ning nüüd hakkab meid tegelikult huvitama just nimelt pulsi maksimumväärtus. Kondensaatorid laetakse maksimumini ning järgmised skeemiosad peavad tegelema pingega 17V(seletan veidi allpool). Kui suur peab olema kondensaator dioodsilla väljundis? See sõltub sellest kui suurt voolu me sillast tahame ja mis on see pingekõikumine mida me oleme nõus aktsepteerima.

Otsustame, et maksimaalne pingekõikumine tohib olla 1V. Maksimaalne vool on teada ning pulsside sagedus ka. Pulsside sagedus on 2 x 50Hz. Kohendame ülalasuva avaldise ringi ning saame vajalikuks  mahtuvuseks 5mF.

Alloleval pildil näed rohelisega tähistatud trafo väljundpinget, sinisega tähistatud dioodsilla väljundpinget ning kollasega tähistatud dioodsilla väljundpinget, kui väljundis on ka silufilter. Antud katse saadi väljundi koormuseega umbes 750mA ja silufiltriga 3.3mF.

Pane tähele, et pinge mida pildil näed ei ole mitte 12V vaid pigem 17V. Seda seetõttu, et alalispinge puhul räägitakse pinge effektiivväärtusest. Siinuspinge efektiivväärtus on kasulik, sest selle abil on lihtne arvutada võimsust, mis mingil tuntud koormusel hajub. Seal ju ei tee tööd kogu aeg siinuse tipu väärtus, vaid umbes 0,71 kordne väärtus. Ehk siis 12V. Loe vahelduvvoolu kohta juurde siit: Wiki.

Samuti pane tähele, et trafo väljundi tipp ei ole ka mitte 17, vaid 19. See tuleb tõenäoliselt trafo ja võrgupinge ebatäpsusest. Samuti pane tähele, et seinakontaktis tulev signaal ei ole eriti ilus siinus. See ligikaudu kaks volti, mis dioodsillas kaduma läheb on tingitud dioodide päripingelangust.

Samuti ei tohi unustada arvesse võtta dioodil hajuvat võimsust. Seda saab kontrollida korrutades päripingelangu ahela maksimumvooluga ning veendudes, et saadud korrutis on väiksem, kui dioodi lubatud maksimum.

Pingeregulaator

Meil on nüüd üsna stabiilne alalispinge. Tarvis on see nüüd saada alla 9V peale. Selleks kasutame ahelat, mille nimi on emitterjärgur. See on npn transistorist koosnev ahel, kus kollektor ühendatakse toiteallika poole, emitter ühendatakse koormusega ning koormusele jääv pinge pannakse paika baasipingega.

Meeles tuleb pidada, et bipolaartransistori baasi ja emitteri vahel tekib baasivoolu olemasolu korral päripingelang. Seega, kui tahame, et koormusele jääks 9V tuleb transistori baasile anda umbes 9,7V.

Selle lihtsakoelise skeemikese puudus on see, et see ei ole eriti täpne. Baas-emitter päripinge sõltub nii kollektori voolust kui transistori temperatuurist. Olgugi, et seda kasutatakse teinekord kohtades, kus koormus on stabiilne ja mõnesaja millivoldine muutus rolli ei mängi tahan mina ehitada midagi paremat. Midagi sellist, mida on hiljem lihtne reguleeritavaks muuta.

Me võtame kasutusele tagasiside. Me võrdleme skeemi väljundpinget mingi stabiilse referentspingega ning saame sedasi täpselt selle väljundpinge mida vaja. Ehk siis saavutame olukorra, kus väljundpinge ei sõltu (eriti palju) temperatuurist ega koormusest. Mis on tööriist kahe pinge (referents vs tagasiside) võrdlemiseks?

Õige. Komparaator. Seekord siis ilma tagasiside ja hüstereesita ning õigem oleks öelda veavõimendi.

Oletame, et keegi ühendab mingi koormuse regulaatori väljundisse. Laengud hakkavad emitterilt ära voolama ning emitteri pinge langeb õige pisut. Seega langeb veidi ka R1 ja R2 koosneva pingejaguri väljund ning võimendi “-” sisend. Mis juhtub tagasisidestamata opvõimendi väljundiga, kui “+” sisendil on suurem pinge, kui “-” sisendil? Võimendi väljund kasvab sellisel juhul üsna kiirest. Aga kõrgem pinge transistori baasil tähendab rohkem baasivoolu, mis omakorda kutsub esile suurema voolu läbi transistori. Sedasi siis reageeribki ülalolev võimendi koormuse tõusule.

See siis oleks ideaalne maailm. Transistori avamine toimuks täpselt vastasfaasis pingelanguga transistori emitteril ning kompenseeriks pingelangu samal ajal, kui see tekib. Sellistel puhkudel öeldakse, et signaal on 180 kraadi pööratud. Reaalses maailmas on aga viited. Võimendi ei reageeri momentaalselt, transistor samuti mitte. Isegi trükkplaadi radadel on tillukesed mahtuvused, mis tekitavad signaali hilistumist. Kui signaal aga hiljaks jääb hakkab signaalide vaheline faasinihe kasvama. See võib tähendada pahandust.

Lisame väljundisse tillukese pingekõikumise. Ütleme, et seda tekitab näiteks koormus, kuid see võib sama hästi olla lihtsalt staatiline müra. See on perioodiline. Oleme perioodi alguses ja pinge transistori emitteril hakkab kasvama. Sellest tingituna hakkab õige pea kasvama ka pingejaguri väljund. Et pingejaguri väljund kasvab, siis opvõimendi väljundpinge ja vool kahanevad, ning hakkavad transistori sulgema. See kõik võtab aga veidi aega. Kui nüüd juhtub, et selle aja jooksul mis signaal läbi tagasisideahela liigub jõuab perioodiline müra oma esimesest poolperioodist läbi ja hakkab hoopis langema tekivad probleemid. Tekib olukord, kus väljundpinge tahab langeda ning transistor hakkab sulguma, langetades pinget veelgi. Tekib positiivne tagasiside. Tagasisideahel üritab loomulikult korrigeerida saates võimendi poole signaali, mis peaks hakkama transistori kiiresti avama, kuid oh häda, see “ava transistor” korraldus jõuab realiseeruda siis, kui müra on uuesti ringiga positiivse poole peal.

Sedasi tekkib ostsilleerumine, võnkumine. Pingeregulaatorist saab signaaligeneraator. See on mõistagi halb. Selleks, et seda olukorda vältida tuleb kõrge sagedusega signaalidele tekitada “otsetee” transistorile. Selleks ongi pingejaguri väljundi ja transistori baasi vahel üsna väike kondensaator C1. Kõrge sagedusega signaalid pääsevad läbi selle ohtlikust viitest, mis tekiks, kui nad peaksid läbi opvõimendi minema. (See on kahjuks vaid verbaalne illustratsioon. Ma päriselt ei saa aru kuidas see kondensaator stabiilsuse tagab, aga inglise keelses kirjanudses räägitakse Milleri kondenaatorist ja Milleri efektist).

Voolupiiraja

Voolupiiraja ei ole hädavajalik, kuid selle olemasolu teeb kogu regulaatori töökindlamaks. Väheneb oht, et süsteemi sulavkaitse läbi põleks väljundi lühise korral. Väheneb oht, et Q1 või trafo liigse koormuse tõttu üle kuumeneb ja viga saab. Samuti kaitseb see väljundisse ühendatavaid seadmeid (mingil määral).

Voolu piirame 500mA peale ning kasutame selleks šunti. See on madala väärtusega takisti, mis ühendatakse koormusega järjestiku. Šundile jääv pingelang korda šundi takistus annab šunti läbiva voolu väärtuse.

Ehk siis tegelikult kogu voolupiiramise teevad ära šunt ja Q2. Q2 on NPN transistor, mis hakkab voolu juhtima siis, kui baasipinge ületab emitterpinget 0,7V võrra. Ehk siis, kui voolu toimel tekib šundile pingelang 0,7V avaneb Q2 ning muudab võimatuks Q1 baasipinge edasise kasvu. Millise voolu juures tekib takistusele 1,5Ω pingelang 0,7V?

Oomi seadus: 0,7V jagatud 1,5Ω võrdub 467mA. See on veidi väiksem, kui plaanitud, aga 1,5Ω takisti on laiemalt levinud kui 1,4Ω.

Pane veel tähele, et tagasiside on võetud teiselt poolt šunti. See tagab, et šundi pingelang ei hakkaks väljundpinget mõjutama.

Viimased täiendused ja arvutused

Avastasin, et ma ei ole varasemates postituses lähemalt tutvustanud ženeri dioodi. Kuigi rääkisin sellest põgusalt H-silla postituses, ei ole sealne rakendus siinsega päris võrreldav. Mõnes kirjanduses öeldakse zeneri dioodi kohta ka stabilitron. See on diood, millel on väga madal, kuid üsna täpselt määratud läbilöögipinge. Läbilöök on olukord, kus diood hakkab elektrit juhtima vastupidiselt oma tavapärasele suunale. Tavaliste ränidioodide, näiteks selliste, mida dioodsillas kasutasime, lubatud vastupinge on sadades või tuhandetes voltides. Sa kasutad teda ventiilina. Sa ei taha, et ta kunagi vastassuunas juhiks.

Zeneriga on aga teine lugu. Seda tahad sa just nimelt läbilöögi rešiimis kasutada. Et läbilöögi pinge on teada, annab see sulle võimaluse tekitada mingi kindla nominaalpingega referents. Oluline on aga meeles pidada, et zeneri dioodi pinge on võrdeliselt seotud teda läbiva vooluga. Mida suurem vool, seda kõrgem pinge ja vastupidi. Enamuste väikesemõõduliste zeneri dioodide pinge on antud voolul 5mA. Aga vaata see kindlasti andmelehest järgi.

Kui nüüd oma skeemis tahan kasutada 3V zeneri dioodi (sest selline juhtus käepärast olema) pean ma takisti R3 valima nii, et vool läbi takisti oleks 5mA.

Teine veidi müstilisem asi võib tunduda Q1 valimine. Varem seletasime, et dioodsillast tulev pinge on 17V. Kui regulaatori väljund on lühises, jääb enamus sellest (maha tuleb arvata šundi pingelang) Q1-le. Maksimaalne vool läbi Q1 on voolupiiraja tõttu 0,5A. Seega kõige hullemal juhul hajub Q1-l soojuseks 8,5W. See on täitsa palju energiat. Vali oma transistor vastavalt. Senikaua kuni sa ei ehita asju seeriatootmise tarbeks või ei tee optimeerimiskatsetusi soovitan asju üle dimensioneerida. Alloleval pildil olev lahendus on ehk üle võlli, aga samal ajal elimineerib igasuguse hirmu ülekuumenemise ees.

Oluline on tähele panna tunnussuurust nimega termiline takistus (thermal resistance). See antakse ühikuga ℃/W. Tavaliselt antakse termiline takistus kristalli ja korpuse vahel ning see väärtus lubab sul arvutada, kui palju tõuseb kristalli temperatuur ühe energiaühiku kohta korpuse temperatuuri suhtes(lisaks keskkonna temperatuurile). Näiteks. Kui termiline takistus kristalli ja korpuse vahel on 20 ℃/W, keskkonna temperatuur on 25 kraadi ning suure radiaatori abil hoiame korpuse samuti keskkonna temperatuuril, siis 1W energia korral soojeneb kristall 45 kraadini. Oluline on, et see temperatuur jääks alla seadme maksimaalse lubatu ning ülalolev meetod lubab seda hinnata. Loe selle kohta lisa ka wikist. Ning pane võimsuseid tähele ka teiste suurt voolu kandvas ahelas olevate komponentide puhul.

Eksperiment

 

Vabandan koleduse pärast, aga nagu hoiatatud: See seade saab esialgu maketeerimislauale ning järgmises postituses näitan kuidas sellele trükkplaat disainida ja valmistada.

Aga uurime skeemi käitumist tühise korral, 20ᘯ koormuse korral(umbes 450mA), 10ᘯ koormuse korral(ülekoormus) ning lühise korral. Samuti vaatame, mis toimub dioodsilla väljundis erinevate koormuste korral ning vaatame lähedalt, kui suur on pingekõikumine regulaatori väljundis. Pinget mõõdan ostsilloskoobiga ja voolu multimeetriga.

Alustan tühisega. Vool on 0mA. Esimene kanal mõõdab pinget DC rešiimis. Teine ja kolmas kanal mõõdavad vastavalt väljundpinge värelust ja sisendpinge värelust AC rešiimis. Pane tähele, et piltide all on ka mõõtetulemused.

Kolmandas kanalis (lilla) on näha varem kirjeldatud kondensaatori laadimis-tühjenemiskõver. Jäänuk dioodsilla tööst. Näha on ka mingi ebamäärane müra teises kanalis, mis näib kokku langevat dioodsillast tulevate pulssidega.

Keskmiseks koormuseks võtsin 20ᘯ asemel 67ᘯ (10+10+47) ning sain tekkinud vooluks 128mA.

 

Pingekõikumine väljundis on 120mV. Ootuspäraselt on kasvanud ka pingekõikumine regulaatori sisendis, sest tõmbame kondensaatorist rohkem voolu. Väljundpinge on veel üsna lähedal 9-le voldile

20ᘯ koormusega tekib märksa tajutavam pingelang. Tekkiv vool on 398mA.

Üllatavalt on väljundi pinge kõikumine umbes sama, mis eelmisel juhul, aga küllap paisutas müra varasema mõõtetulemuse üles.

10ᘯ korral on pingelang aga juba dramaatiline ning on näha, et voolupiiraja rakendub. Mõõdetud vool on 508mA.

Ja viimaks lühis.

Kogu energia muutub transistoril soojuseks. Väljundpinge on null ning vool mis ahelas tekkis on 546mA

Kokkuvõte

See regulaator käitub kindlasti paremini kui odav impulsstoitekas. Ei mingit kuuldavat müra võimendis. Mõningate asjade kallal loomulikult saab nuriseda. Väljundpinge vahelduvkomponendi suurus näiteks. Selle peamine põhjustaja on tõenäoliselt tugipinge kõikumine. Dioodsillast tulev pinge kõikumine tekitab voolu kõikumise zeneri ees olevates takistites ning see voolu kõikumine omakorda põhjustab tugipinge kõikumise. Selle vastu saab, kui kasutada zeneri voolu seadmiseks voolupeeglit. Samuti võib suurendada silukondensaatorit dioodsilla väljundis.

Teine mure, mis seda skeemi kiusab on väljundpinge langus koormuse kasvades. Mõningane väljundpinge langus on möödapääsmatu, sest just väljundpinge erinevus tugipingest tekitab korrigeeriva pinge tõusu ja voolu kasvu opaka väljundis. Kui suur see erinevus olema peab sõltub sellest, kui palju transistor mingi täiendava voolu korral avaneb. Just suurte võimsustega transistoridel on vooluvõimendustegur tavaliselt madal. Minu kasutad BU205 vooluvõimendustegur 0.5A kollektorivoolu korral on hale 10. Üks variant selle olukorda parandamiseks on tavalise NPN transistori asemel darlingtoni paari.

Sellise lülituse korral kahe transistori vooluvõimendustegurid korrutatakse ning see peaks oluliselt parandama regulatsiooni erinevatel koormustel.

Aga need on hetkeseisuga kontrollimata väited ning ma jätan need praegu rahule. Võib olla võtan tulevikus ette reguleeritava toiteallika ehitamise. Siis on võimalus neid lahendusi katsetada. Praegu aga lepin olemasolevaga, sest:

1. See saab hakkama selle ülesandega, milleks ma selle ehitasin. Ehk siis teeb toreda müravaba toite minu kõrvaklapivõimendile
2. Selleks, et näidata, kuidas koduste vahenditega trükkplaati ehitada sobib ka mitte ideaalne skeem
3. Teile peab ka mingit tööd ja avastamisrõõmu jääma :).