Модуль источника питания

Публикация 05.02.2024

Начальник

Схема и конструкция

Самый простой по своему устройству, но очень важный модуль - источник питания. Какое бы изделие мы не собирали из нашего модульного набора, модуль питания обязательно будет в ней присутствовать. Поэтому можно планировать сборку, как минимум, двух-трех экземпляров этого модуля и сразу же изготавливать соответствующее количество печатных плат и подбирать необходимое количество элементов для их сборки.

Для чего он нужен

Модуль питания должен поставлять другим модулям нашего набора следующие стабилизированные напряжения:

+12 В / -12 В для питания аналоговых компонентов модулей, главным образом, операционных усилителей, входящих в состав этих модулей
+5 В для питания микроконтроллера, элементов индикации и цифровых компонентов модулей

Сам модуль питается постоянным напряжением 8...12 В от внешнего источника питания. Можно использовать как стабилизированные так и нестабилизированные источники, в том числе и аккумуляторы. Ток потребления модуля при входном напряжении 9 В и отсутствии нагрузок по всем выходам - 30 мА.

Из чего он состоит

Основой модуля является показанная на фото слева готовая плата DC-to-DC конвертера DD1912PA, которая питается от внешнего источника напряжением 8...12 В и вырабатывает на выходе стабилизированные напряжения +15 В и -15 В.

Подробнее об устройстве и характеристиках платы DD1912PA можно прочитать в одном из обзоров на этом сайте, а здесь мы отметим только то, что, благодаря использованию готовой платы, мы не только значительно упрощаем схему и конструкцию нашего модуля питания, но и сильно его удешевляем. Если взять принципиальную схему преобразователя DD1912PA (приведена в упомянутом обзоре) и посчитать розничные цены всех входящих в нее элементов, то окажется, что собранная плата продается в популярных интернет-магазинах по цене значительно ниже суммы цен ее элементов. Кроме того, используя готовый преобразователь, мы избавляем себя от необходимости изготавливать весьма непростую двухстороннюю печатную плату и монтировать на нее миниатюрные SMD элементы вроде микросхемы XL6007.

Если в вашем распоряжении имеется плата DD1912PA, рассчитанная не на +15 В / -15 В, а на какое-либо другое выходное напряжение, то перепайкой одного резистора в цепи обратной связи на этой плате его можно легко изменить. Смотрите подробнее об этом в нашем обзоре.

Принципиальная схема модуля питания

Рис.1. Принципиальная схема модуля источника питания.

Выходные напряжения +15 В / -15 В DC-to-DC конвертера DD1912PA понижаются до +12 В / -12 В, стабилизируются и дополнительно фильтруются линейными регуляторами IC2 и IC3. Подобного типа регулятор, но с другим выходным напряжением используется и в канале +5 В. Для удобства подключения потребителей выходные напряжения подаются на четыре разъема JP2 - JP5. соединенные параллельно.

Конструкция

Печатная плата модуля показана на следующих рисунках.

Рис.2. Плата модуля источника питания. Вид со стороны элементов.

Рис.3. Плата модуля источника питания. Вид печатных проводников в зеркальном отображении ("сквозь плату").

Как и для других модулей, плата со стороны печатных проводников показана в зеркальном отображении, поскольку именно такой вид требуется для подготовки фотошаблонов. Сам фотошаблон для метода изготовления печатной платы с пленочным фоторезистом показан ниже, а соответствующие файлы можно скачать по ссылкам в конце этой публикации.

Рис.4. Плата модуля источника питания. Фотошаблон для метода с пленочным фоторезистом.

Сборка и монтаж

На плате модуля питания предусмотрено место для ребристых радиаторов размерами примерно 24 * 16 * 25 мм (ширина * глубина * высота), на которые устанавливаются линейные регуляторы IC1 - IC3. Нужно ли устанавливать радиаторы или можно обойтись без них - решается в зависимости от того, что именно будет питаться от модуля. Подробнее этот вопрос обсуждается под спойлером ниже.

Нужно ли использовать радиаторы для микросхем IC1 - IC3 ?

Тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда регуляторов 78xx/79xx в корпусе TO-220 составляет примерно 50°С/Вт (хотя разные производители этих микросхем указывают разные величины, но мы на всякий случай возьмем ближе к максимальной), из чего легко заключить, что регулятор без радиатора может надежно работать, рассеивая мощность не более 1 Вт. При этом температура кристалла в нормальных условиях не превысит 75°С, что значительно меньше предельно допустимого значения 125°С. Это, в свою очередь, благоприятно скажется на надежности и долговечности микросхемы. Падение напряжения на регуляторах IC2 и IC3 составляет 3 В, а на IC1 - 4 В. Таким образом, 1 Вт рассеиваемой на микросхеме мощности соответствует току 330 мА для каналов +12 В / -12 В и току 250 мА для канала +5 В. Если питающиеся от модуля нагрузки потребляют больше, то радиаторы нужно устанавливать.

До начала монтажа необходимо проверить ферритовые сердечники дросселей на плате DD1912PA на отсутствие трещин и сколов. Подробнее об этих часто встречающихся повреждениях и о том, что делать, если они будут обнаружены, можно прочитать под спойлером "О поврежденных ферритовых сердечниках дросселей" в уже упоминавшемся обзоре на этом сайте.

Затем следует убедиться в работоспособности платы DD1912PA, подав на её вход напряжение 9 В от внешнего источника и подключив к выходам U+ и U- нагрузку в виде пары резисторов достаточной мощности. Сопротивление этих резисторов нужно выбрать таким образом чтобы через них протекали токи, равные предполагаемым токам нагрузки модуля в готовом изделии. Например, если вы ожидаете, что тот прибор, где будет использоваться модуль питания, потребует от него 150 мА по цепи положительного напряжения и 50 мА по цепи отрицательного, то сопротивление нагрузочных резисторов должно быть 15 В / 150 мА = 0.1 кОм и 15 В / 50 мА = 0.3 кОм соответственно. Выходные напряжения платы DD1912PA под нагрузкой должны составлять не менее 14,5 В на обоих выходах, иначе их будет недостаточно для работы линейных регуляторов.

Если плата DD1912PA исправна и вырабатывает необходимые напряжения, можно устанавливать её на основную плату модуля. Платы соединяются между собой при помощи пяти коротких вертикальных перемычек из жесткой проволоки. В качестве этих перемычек можно использовать штыревую ("папа") часть разъемов Dupont на 2 и на 3 контакта. Такие же штыревые части на 4 контакта используются и в качестве выходных разъемов JP2-JP5.

После монтажа элементов на плате у вас должно получиться что-то вроде показанного ниже изделия:

Обратите внимание! В первых версиях всех модулей, описанных на этом сайте, для межплатных соединений использовались широко распространенные и весьма недорогие разъемы Dupont. Именно такие разъемы (вернее, их часть, монтируемую на плату) вы видите на фото модуля питания выше на этой странице. KF2510 Однако впоследствии все соединители данного типа были заменены более надежными из серии KF2510 (фото слева). Подробнее о причинах и последствиях этой замены можно прочитать в дополнении от 18.01.2024 во вступительной статье на этом сайте.

Вид новой версии модуля питания с соединителями KF2510 показан на фото внизу. Этот экземпляр модуля предназначался для прибора, имеющего низкое потребление по цепям ±12 В и +5 В, поэтому для микросхем линейных стабилизаторов были использованы радиаторы уменьшенного размера.

Включаем модуль и проверяем выходные напряжения

Закончив сборку и отмыв плату от остатков флюса, подаем (соблюдая полярность!) на вход модуля напряжение +9 В, подключаем к выходу модуля нагрузку и убеждаемся, что на его выходах присутствуют напряжения +12 В, -12 В и +5 В.