Тестер ОУ
Часть 2. Схемы и конструкции функциональных узлов
U1. Плата регуляторов напряжения
Тестер ОУ питается от двух изолированных друг от друга внешних источников питания с номинальными напряжениями 9 В и 12 В (на функциональной схеме рис. 4 не показаны). Далее на этой странице мы дадим рекомендации о том, каким образом эти источники могут быть реализованы в зависимости от имеющихся в наличии у радиолюбителя готовых модулей питания и других комплектующих, а сейчас рассмотрим плату регуляторов напряжения, обозначенную на функциональной схеме U1. Плата обеспечивает питанием все остальные функциональные узлы тестера ОУ, вырабатывая следующие выходные напряжения:
| Выходная цепь | Подходящие типы м/сх регуляторов | Ток, потребления по этой цепи, мА | Что питается от этой цепи |
|---|---|---|---|
| +15 В analog | LM7815T | 15...30 | Программируемый источник питания (PPS), вспомогательный ОУ (AUX) и дифференциальный усилитель на главной плате. |
| -15 В analog | LM7915T | 15...30 | то же что и для +15 В analog |
| +9 В digital | - | 0...10 | Реле на главной плате |
| +3.3 В digital | LD1117V33, LM1117T-3.3, LM1086CT-3.3, LM7833T*, LF33CV* | 25 | Микроконтроллер, дисплей |
Табл. 2. Выходные напряжения платы регуляторов.
Принципиальная схема платы регуляторов напряжения показана на рис. 5.
Регулятор напряжения аналоговой части тестера ОУ выполнен на базе двухполярного DC-to-DC конвертера DD1912PA (фото слева), детально описанного в одном из обзоров на этом сайте. Используется вариант с выходным напряжением ±18 В, однако если в вашем распоряжении имеется модуль конвертера DD1912PA с любым другим выходным напряжением, то заменой одного резистора его можно переделать в 18-вольтовый. Смотрите подробнее об этой модификации конвертера в уже упомянутом обзоре. Там же даются рекомендации на случай, если вы получили этот модуль по почте с отколотыми кусками ферритовых сердечников дросселей. Выходные напряжения конвертера дополнительно фильтруются и стабилизируются линейными регуляторами IC1 и IC2.
В источнике питания цифровой части входное напряжение +9 В подается непосредственно на выход платы, а напряжение +3,3 В вырабатывается с помощью линейного регулятора IC3.
При покупке микросхем регуляторов напряжения с фиксированным выходным напряжением 3,3 В следует учесть печальный опыт тех, кто пытался приобретать их на популярной китайской интернет-площадке. Подробнее об этом - под спойлером ниже.
Неоднократные попытки автора приобрести трехвольтовые регуляторы напряжения в корпусе TO-220 на всем известной китайской торговой площадке не увенчались успехом - каждый раз в посылке приходили некие изделия электронной промышленности, на которых было написано "LD1117V33" или "LF33CV" и стоял логотип компании-производителя, однако, ни разу это не были желаемые микросхемы. Это даже не были регуляторы напряжения вообще, присланные компоненты один раз оказались сдвоенными диодами, другой раз транзисторами p-n-p типа, иногда вообще не удавалось определить, что это такое приехало в посылке. Умельцы из поднебесной старательно зашлифовывали старое название и посредством лазера (или штампа, вырезанного из стирательной резинки) наносили новое.
На фото можно видеть две микросхемы LF33CV - оригинальную (слева) и поддельную (справа). Как видите, они отличаются буквально всем - формой металлического "уха", диаметром отверстия под винт, формой корпуса и выводов. Даже код страны происхождения у них разный - у настоящей "CHN" (Китай), а у поддельной жулики для пущей солидности нарисовали "KOR" (Корея), но штука в том, что настоящие микросхемы производятся именно в Китае на заводе ST Microelectronics в Шэньчжэне, а вот как раз в Корее заводов у этой фирмы нет.
Месяц назад пришли десять штук микросхем с надписью "LM1117T-3.3", из которых четыре штуки оказались 8-вольтовыми, а шесть штук - 15-вольтовыми (предположительно LM7808T и LM7815T). Ну, тут хотя бы микросхемы регуляторов напряжения пришли, а не диоды, и на том, как говорится, спасибо.
Покупая трехвольтовые регуляторы напряжения на известной китайской площадке интернет-торговли, учтите, что в описании товара вам продемонстрируют фото настоящей микросхемы, такой, как показана на моем фото слева, а в посылке в большинстве случаев вам придет та, что показана справа. И вы, взяв в руки тестер, начнете ее прозванивать, пытаясь определить, что же именно вам досталось - двойной диод, транзистор, тиристор или что-то еще. Хуже того, многие российские интернет-магазины перепродают купленные там же микросхемы, так что вы рискуете получить подделку, даже купив ее втридорога у отечественного продавца. Поэтому, получив на почте микросхемы, не торопитесь запаивать их в свою печатную плату до тех пор, пока не проверите и не убедитесь, что перед вами именно микросхемы регуляторов напряжения с выходным напряжением 3.3 В.
И еще два наблюдения по тому же поводу. Во-первых, продавцы этих микросхем прекрасно знают, что торгуют липой, поэтому, как правило, получив от вас претензию, очень быстро и охотно возвращают деньги. В крайнем случае, если продавец упирается, можно создать спор и деньги вам вернет площадка, но обычно дело до этого не доходит. Во-вторых, все вышесказанное относится именно к трехвольтовым регуляторам, микросхемы с другими напряжениями стабилизации, как правило, приходят именно те, что были заказаны.
Токи, потребляемые тестером ОУ по цепям ±15 В весьма невелики, поэтому микросхемы регуляторов напряжения IC1 и IC2 можно устанавливать без радиаторов. В принципе, в качестве IC1 и IC2 можно использовать даже соответствующие микросхемы в корпусах TO-92, однако автор все-таки предпочитает более мощные регуляторы в "силовых" корпусах TO-220, как более стойкие к различным перегрузкам и коротким замыканиям. Для микросхемы IC3 лучше установить небольшой радиатор.
Для упрощения межплатного монтажа тестера ОУ на плате регуляторов напряжения предусмотрены два выходных разъема для аналоговой части прибора (один для подключения к плате PPS, другой - к главной плате), а также три разъема для цифровой части (к микроконтроллеру, к дисплею и к главной плате).
Расположение элементов на плате регуляторов напряжения и ее фотошаблон показаны на рисунках.
По ссылке внизу страницы можно скачать набор файлов, необходимых для ее изготовления в домашних условиях, включая схему и плату в формате Eagle 7.5.0, экспортированные из Eagle рисунки, а также фотошаблон для изготовления платы методом пленочного фоторезиста. Изготовив печатную плату и смонтировав на ней элементы, вы получите изделие, показанное на следующем фото:
Никакой специальной настройки плата не требует, достаточно с помощью вольтметра убедиться, что выходные напряжения двухполярного конвертера и линейных регуляторов соответствуют приведенным в таблице 1 с минимальными отклонениями.
Внешние источники питания +9 В и +12 В, необходимые для тестера ОУ, могут быть реализованы самыми разными способами в зависимости от того, какие комплектующие или готовые модули найдутся в радиолюбительских запасах у читателя. Ниже под спойлером можно обнаружить несколько идей по поводу того, как их изготовить.
Первое, что надо отметить, говоря об этих источниках - требования к их выходному напряжению. Для источника +9 В, питающего цифровую часть тестера ОУ, напряжение не должно отклоняться более чем на ±10% от номинала, то-есть должно находиться в пределах 8,1...9,9 В. Более низкое напряжение может оказаться недостаточным для надежного срабатывания реле на главной плате прибора, а более высокое - вызвать перегрев микросхемы IC3 на плате регуляторов напряжения.
Что касается напряжения внешнего источника питания аналоговой части прибора, оно может меняться в гораздо более широком диапазоне. Как мы знаем из обзора конвертера DD1912PA, входящего в состав платы регуляторов напряжения, он может работать как в режиме понижения, так и в режиме повышения входного напряжения, а его производители в описаниях приводят разрешенный диапазон входных напряжений в пределах от 3,7 В до 24 В. Мы бы не рекомендовали использовать этот конвертер в предельных режимах, но входные напряжения в диапазоне, скажем, от 6 до 18 В можно для него считать вполне комфортными. Таким образом, внешний источник питания, названный на схеме "+12 В" фактически может иметь любое выходное напряжение в этом диапазоне.
Итак нам нужны будут два изолированных друг от друга, то-есть не имеющие общего провода источника, один из которых имеет выходное напряжение ровно 9 В, а другой - от 6 до 18 В. Реализовать их можно различными способами, два из которых описаны ниже.
- Классический трансформаторный источник питания
Если в вашем радиолюбительском хозяйстве найдется силовой трансформатор мощностью от нескольких Вт до нескольких десятков Вт, имеющий две вторичные обмотки, одна из которых имеет напряжение примерно 7,5 В, а другая - от 5 до 15 В, то добавив к нему два диодных моста и два конденсатора фильтра (примерно 2200...3300 мкФ каждый), вы получите требуемый источник питания. Переменное напряжение обмотки 7,5 В после выпрямления даст как раз 9 В, необходимые для питания цифровой части тестера ОУ, а вторая обмотка позволит получить 6...18 В постоянного напряжения для аналоговой части.
У автора в шкафу обнаружился именно такой трансформатор, извлеченный когда-то из старого принтера. И не просто трансформатор, а часть печатной платы источника питания этого принтера, на которой кроме трансформатора находились также диодные мосты, предохранители и конденсаторы фильтра (фото справа). Оставалось припаять только сетевой шнур к первичной обмотке и две пары проводов к выходам выпрямителей чтобы получился внешний источник питания с требуемыми напряжениями.
Если вам повезло меньше и найденный вами силовой трансформатор имеет только одну вторичную обмотку или не вполне подходящие напряжения обмоток, но его магнитопровод можно разобрать, то имеет смысл перемотать такой трансформатор, оставив первичную обмотку, удалив старые вторичные обмотки и намотав новые. Сечение обмоточного провода подбирается таким образом, чтобы новые вторичные обмотки уместились на катушке, а число витков - чтобы получить требуемые напряжения.
При перемотке трансформатора убедитесь в достаточно хорошем качестве изоляции между первичной и вторичными обмотками и при необходимости добавьте один или несколько слоев изоляционного материала во избежание короткого замыкания между ними. - Импульсный источник питания
Если вам совсем не повезло и подходящего силового трансформатора у вас не нашлось, можно собрать внешний источник питания тестера ОУ на базе двух импульсных AC-DC преобразователей, например, таких, как показаны на фото внизу.
- Слева - HLK-PM12 (12 В) и HLK-PM09 (9 В), в центре - XPJ-01C (12 В) и XPJ-01E (9 В), справа - SM-PLG06A-12V (12 В) и SM-PLG06A-9V (9 В)
Два таких AC-DC преобразователя нужно будет поместить в корпус соответствующего размера, снабдить плавким предохранителем, выключателем и сетевым шнуром, а также проводами для подачи их выходных напряжений на входные разъемы X1 и X2 платы регуляторов напряжения.
Первый вариант - классический трансформаторный источник питания - хорош тем, что не создает высокочастотных помех и наводок на измерительные цепи тестера ОУ, но имеет большие габариты и требует силового трансформатора с двумя вторичными обмотками, который не всегда может быть в наличии. Второй вариант - импульсный источник питания - компактен и доступен, а необходимые для его сборки AC-DC модули в большом разнообразии имеются в интернет-магазинах и стоят недорого, но при недостаточно хорошем подавлении импульсных помех такой источник питания может влиять на точность измерений.
Автор попытался собрать еще и третий вариант внешнего источника питания на базе изолированных DC-DC преобразователей B1212S-2WR3, IB1209S-2WR3 и подобных. Результат получился сугубо отрицательный - эти преобразователи создавали такой уровень высокочастотных наводок на измерительные цепи прибора, что избавиться от них не удавалось ни дополнительной фильтрацией их выходных напряжений, ни помещением их в экраны. Повторять не рекомендуется.
U2. Программируемый источник питания
Этот функциональный узел (Programmable Power Supply - PPS) вырабатывает двухполярное выходное напряжение для питания испытуемого ОУ. На его вход поступает двухполярное напряжение ±15 В от платы регуляторов напряжения, а положительное и отрицательное выходные напряжения PPS могут изменяться независимо друг от друга в диапазоне от 0 до 13,5 В. Управление выходными напряжениями осуществляет микроконтроллер, загружая соответствующие двоичные коды в рабочие регистры двух цифро-аналоговых преобразователей, входящих в состав PPS.
Принципиальная электрическая схема PPS показана на рисунке 9.
В качестве цифро-аналоговых преобразователей использованы готовые модули CJMCU-MCP4725 (фото справа), связанные с микроконтроллером по шине I2C. Модули питаются напряжением 5 В от стабилизатора на микросхеме IC1. До монтажа этих модулей на плату PPS обязательно выполните указание по поводу подключения выводов ADDR, находящееся в левом нижнем углу схемы рис. 9, поскольку после монтажа добраться до соответствующих контактных площадок на этих модулях будет сложнее. На выходах ЦАП формируется напряжение, величина которого линейно зависит от записанного в его рабочий регистр кода. При изменении кода от 0x0000 до 0x0fff (от 0 до 4095 в десятичном формате) напряжение в контрольных точках TP1 и TP4 меняется от 0 до 5 В.
Выходные напряжения ЦАП усиливаются и сдвигаются по уровням с помощью операционных усилителей IC1A и IC1B с таким расчетом, чтобы на выходе трехвыводного регулятора напряжения IC2 оно изменялось в диапазоне от 0 до +13,5 В, а на выходе IC3 - от 0 до -13,5 В. Для этого на входы усилителей подаются напряжения смещения с делителей R5-R1 и R6-R2, а ОУ IC1B включен по схеме инвертирующего усилителя, преобразующего положительное выходное напряжение ЦАП U2 в отрицательное.
Все резисторы, использованные в PPS, за исключением R9 и R10, должны иметь отклонения от указанных на схеме значений менее 1%. Резисторы R3, R5 и R8, имеющие нестандартные значения сопротивления, подбираются из резисторов ближайшего номинала или составляются из двух последовательно или параллельно включенных резисторов.
Конструктивно PPS выполнен на односторонней печатной плате, расположение элементов на которой и фотошаблон показаны на рисунках внизу.
Так же, как и в других проектах на этом сайте, фотошаблон показан в зеркальном изображении ("вид сквозь плату") и предназначен для изготовления платы методом пленочного фоторезиста. Если предполагается изготовление платы лазерно-утюжным методом, то фотошаблон необходимо преобразовать из негатива в позитив. Все необходимые для изготовления платы файлы можно скачать по ссылкам внизу на этой странице.
После монтажа должно получиться изделие, показанное на следующих фото:
В связи с тем, что ток, потребляемый от PPS испытуемым ОУ весьма невелик и обычно не превышает единиц миллиампер, устанавливать микросхемы регуляторов напряжения IC2 и IC3 на радиаторы не требуется. Можно использовать даже микросхемы LM317L и LM337L в корпусах TO-92, если таковые окажутся под рукой, однако, как и в случае с микросхемами на плате регуляторов напряжения, автор предпочитает более надежные ИС в корпусах TO-220.
При исправных элементах плата настройки не требует, надо только проверить соответствие опорных напряжений в контрольных точках TP2 и TP5 значениям, указанным на принципиальной схеме. В случае их заметного отклонения необходимо подобрать резисторы R1, R2, R5 и R6.
