Затянувшийся выходной (1)
Ни одна конструкция не делается так долго, как конструкция выходного дня. Больше года назад здесь был пост БП выходного дня. Но только теперь этот выходной день, похоже, подходит к концу.
После замены своего старого БП несколькими новыми БП появилось неудобство. Дело в том, что большинство моих конструкций используют двухполярное питание. Новые модные тенденции перевода аналоговых схем на низковольтное однополярное питания я не отрицаю, но не следую им в основном по причине недоступности и дороговизны современной элементной базы. К тому же, в плане качества схем однополярное питание - это большой компромисс. Большинство моих макетов не требуют слишком мощного источника питания, поэтому я решил дополнить свои однополярные БП маленьким двухполярным.
За прошлые конструкции БП меня много ругали по причине их избыточной сложности. Я и сам это прекрасно понимаю, но делал схемы специально как можно сложнее, чтобы чем-то себя занять. На этот раз решил применить противоположный подход - сделать непривычно простую конструкцию. Никто, наверное, не ожидал этого, но данный БП будет на классических LM317 и LM337.
Как всегда, новая конструкция начинается с корпуса. Особых проблем выбора не было, я четко знал, что хочу БП в корпусе Z-16. Этот корпус я неоднократно применял, даже делал в нем всякие БП для каких-то заказных проектов.
Следующий шаг - определиться с возможностями и примерными параметрами будущей конструкции. Итак, это будет двухполярный БП, регулируемый от 0 до 15 В. Еще в нем будет дополнительный однополярный канал, регулируемый от 0 до 5 В. Максимальный ток нагрузки для двухполярного канала вполне устроит порядка 350 мА, а для дополнительного канала - порядка 500 мА.
Микросхема интегрального регулируемого стабилизатора LM317 (а для отрицательного напряжения - LM337) позволяет строить регулируемые БП с минимальным количеством внешних компонентов. Но ее использование по типовой схеме имеет ряд недостатков.
В типовой схеме регулировка напряжения производится с помощью делителя обратной связи. Выходное напряжение не может быть меньше опорного, т.е. 1.25 В. Не смертельно, но хотелось бы регулировку начинать с нуля.
Для двухполярного источника с синхронной регулировкой выходных напряжений потребуется сдвоенный переменный резистор. Это плохо по нескольким причинам: такие резисторы имеют значительное рассогласование секций; выбор номиналов таких резисторов достаточно небольшой, особенно группы B (линейной в зарубежной классификации); габариты таких резисторов довольно большие.
Стало ясно, что LM317 придется включать по схеме, отличающейся от типовой. Для этого придется более детально изучить эту микросхему. На рисунке ниже представлены упрощенные структурные схемы классического стабилизатора и трехвыводного, подобного LM317 (фактически, его структурная схема немного не такая, но так проще для понимания).
Ради экономии выводов схема трехвыводных стабилизаторов «перевернута», Vout там является фактически общим проводом для схемы управления. Поэтому в делителе обратной связи резисторы тоже меняются местами. Интегральные регулируемые стабилизаторы скорректированы для работы с единичным усилением опорного напряжения, т.е. могут работать при Vout = Vref. При других значениях Vout резистор обратной связи можно зашунтировать емкостью, что приведет к увеличению петлевого усиления для переменного тока и как следствие, улучшению подавления пульсаций и динамических характеристик стабилизатора. В обычной схеме стабилизатора шунтируется верхний резистор делителя, а для трехвыводных - нижний. Работа трехвыводного стабилизатора сводится к поддержанию на R1 падения напряжения, равного Vref. Если потенциал нижнего по схеме вывода R2 сделать не нулевым, это приведет к изменению выходного напряжения стабилизатора. Таким способом можно добиться нулевого выходного напряжения, а регулировку делать с помощью внешнего регулируемого напряжения. При наличии шунтирующей емкости C1 это не повлияет на динамические характеристики стабилизатора и его устойчивость.
Еще одна особенность этих стабилизаторов - питание внутренних схем управления осуществляется напряжением Vin - Vout, а ток питания протекает по выходной цепи стабилизатора. Поэтому падение напряжения не может быть очень маленьким, а ток нагрузки не должен становиться меньше оговоренного минимума (3 - 10 мА). Минимальный ток нагрузки проще всего обеспечить самим делителем обратной связи. Поскольку на R1 всегда падает одно и то же напряжение, то выбрав номинал R1 достаточно низким (обычно рекомендуют 240 Ом), можно получить стабильный минимальный ток нагрузки, не зависящий от выходного напряжения.
Разработка любой новой конструкции начинается с поиска и изучения аналогов. В Сети нашлось множество схем БП на LM317, большинство используют типовое включение, но некоторые содержат нестандартные схемотехнические приемы. Один из примеров такой схемы приведен ниже.
Для получения регулировки выходного напряжения от нуля делитель обратной связи подключен не к земле, а к небольшому напряжению обратной полярности, формируемому с помощью двух прямосмещенных диодов. Такая схема не очень хороша. Напряжение на диодах не будет точно равно опорному, поэтому погрешность в нуле будет весьма значительная. Диодные стабилизаторы питаются входным напряжением с высоким уровнем пульсаций, эти пульсации будут в какой-то мере попадать и на выход стабилизатора, ухудшая качество выходного напряжения.
Еще один вариант схемы с регулировкой от нуля приведен ниже. На первый взгляд совершенно непонятно, что делает ОУ в этой схеме. Но если присмотреться, на этом ОУ собран дифференциальный усилитель, который снимает напряжение с верхнего резистора делителя обратной связи (а оно всегда равно Vref), меняет его знак и подает на нижний (переменный) резистор делителя. Такое решение позволяет получить смещение, равное Vref, т.е. получить на выходе ровно нулевое напряжение.
При использовании этих схем в двухполярном БП для регулировки выходного напряжения понадобится сдвоенный переменный резистор. Чтобы уйти от этого, иногда делают так, что отрицательное плечо следит за напряжением положительного, повторяя его с противоположным знаком. Пример такой схемы приведен ниже.
Недостатком такого подхода является то, что в цепи обратной связи отрицательного плеча появляется дополнительный ОУ, который будет влиять на динамические характеристики и устойчивость стабилизатора. Некоторым плюсом схемы можно считать точное повторение напряжения положительного плеча, только с обратным знаком. Причем не только в штатном режиме, но и при перегрузке. Но это работает лишь в одну сторону, положительное плечо «не видит», что делается на отрицательном. Есть схемы с полным взаимным трекингом напряжений, но я не ставил целью не допускать «перекосов» двухполярного напряжения.
В результате пришел к следующей схеме:
В положительном плече используется стабилизатор U6 типа LM317. Он имеет делитель обратной связи R8, R9, нижний резистор которого по переменному току зашунтирован конденсатором C5. Резисторы делителя имеют одинаковые номиналы, поэтому для получения нулевого выходного напряжения на нижний вывод делителя надо подать -2.5 В. А для получения на выходе +15 В надо подать +12.5 В. Управляющее напряжение поступает с переменного резистора R5 и буферизуется повторителем на ОУ U5:1. В результате номинал переменного резистора может быть любым (в пределах разумного, конечно). Границы изменения управляющего напряжения задаются ОУ U2:1 и U2:2. Напряжение формируется из опорного -2.5 В, которое получается с помощью параллельного стабилизатора R1, U1. Конечно, лучше было бы использовать внутренний опорный источник U6, но на внешних выводах он недоступен, а выделять опорное напряжение с резистора обратной связи очень уж громоздко. Для той точности, которую хочу получить от этого БП, разброс напряжений двух разных опорных источников не играет роли.
Отрицательное плечо построено на стабилизаторе U7 типа LM337 по аналогичной схеме. Управляющее напряжение используется то же, что и для положительного плеча, только с другим знаком. Инвертирование производит ОУ U5:2. Это позволяет обойтись в двухполярном источнике одиночным переменным резистором.
Строго говоря, конденсаторы C5, С6 должны быть неполярными. Максимально возможное обратное напряжение составляет -1.25 В. Разные производители по-разному относятся к переполюсовке, называя разные значения предельных обратных напряжений. Типично это сотни милливольт. Полярный конденсатор имеет полупроводниковые свойства, эквивалентная схема содержит диод. Но это не привычный кремниевый диод, его ВАХ может сильно отличаться. Я даже купил неполярные конденсаторы для этой схемы, но вспомнил про них слишком поздно, когда уже были впаяны обычные полярные CapXon 10 мкФ на 25 В. Ради интереса измерил ток утечки этих конденсаторов для разных приложенных напряжений. При правильной полярности мой тестер с разрешением 10 нА ток утечки зафиксировать не может. При обратной полярности тока нет до напряжения -1.5 В. Дальше ток начинает расти с наклоном примерно 150 нА на 100 мВ приложенного напряжения. Думаю, что ничего не случиться с этими конденсаторами, тем более, что обратная полярность на них будет только при выходном напряжении менее 1.25 В, а такие напряжения вряд ли будут использоваться.
Для проверки схемы БП я собрал макет. Схема сразу заработала, как и было задумано, никаких аномалий не выявлено.
Когда примерно стал понятен объем схемы, можно заняться компоновкой и дизайном передней панели, параллельно с разводкой печатных плат. Решил использовать две печатных платы: на основной собрать выпрямители и стабилизаторы, а на дополнительной - схему управления. Причем разводка основной платы по замыслу должна позволять собирать на ней нерегулируемые БП, тогда дополнительная плата просто не устанавливается. Дополнительная плата должна вставляться в разъем основной платы в виде субмодуля. Переменные резисторы впаиваются прямо в дополнительную плату. В результате - никаких проводов внутри прибора. Это красиво. Зато когда провода есть, это удобно. При ремонте можно снять плату и повернуть ее, как угодно, при этом не отключая. Но красота берет верх, как и во многих других ситуациях в жизни.
Корпус Z-16 чаще всего используют с минимальными переделками. Нижняя часть позволяет закрепить печатную плату, а органы управления обычно монтируют на крышке. Действительно, все легко и просто: просверлить в крышке дырки, прикрутить переменники, подключить их проводами к плате - и готово. Но ведь мы пришли в этот мир получать удовольствие, а не сверлить дырки в крышке. Крышка не должна нести на себе никаких элементов, она должна полностью отделяться, а прибор при этом оставаться работоспособным. Это требование сильно усложнило конструкцию, но оно является решающим, по-другому прибору не быть. Передняя панель теперь должна крепиться к нижней части корпуса, а крышка одеваться на нее. В крышке должен быть сделан вырез для панели.
Компоновка БП долго не получалась. Оказалось, что желаемое помещается в выбранный корпус впритык. Но и отказываться от затеи оснований не было, ведь видно, что все помещается. Месяцы страданий и ряд безуспешных подходов к компоновке сильно задержали проект. Дополнительные проблемы возникли из-за ошибочной оценки площади печатной платы, необходимой для размещения схемы управления. Я пытался вписать вертикальную плату на всю высоту корпуса, которая никак не помещалась. Только рискнув развести схему на меньшей плате, стало понятно, что схема не такая и объемная. В результате все поместилось, но сложность изготовления передней панели оказалась высокой.
Компоновку чертил в Corel Draw. Дополнительные трудности вызывал наклон стенок корпуса примерно на 1.7°. Работа была неприятной, поэтому в рамках хобби делалась очень медленно. Получается, что даже для души порой приходится делать что-то неприятное. Интересно, что можно собрать, выполняя только приятные работы?
Чертить, наверное, следовало бы в каком-то 3D-пакете, но поначалу я вообще не думал, что компоновка создаст проблемы такого масштаба. Corel обычно использую для рисования наклеек передних панелей, ну а компоновка обычно проходит так, между прочим. Я не стремлюсь делать полные чертежи. Потому что делая все по месту, чувствуешь себя творцом, а делая по чертежам чувствуешь себя каким-то рабочим на заводе. Но как-то нужно достичь того, чтобы сделанное по месту каким-то образом собиралось и работало.
Компоновка сильно привязана к дизайну, обычно именно дизайн диктует расположение основных элементов. Если что-то приходится подвинуть, каждый шаг должен верифицироваться дизайном. Иначе можно допустить ошибку, которую потом невозможно будет исправить. В данном проекте свободы очень мало, но при работе без оглядки на дизайн переменники наверняка оказались бы выше (не хватало места для платы), но тогда невозможно было бы нарисовать шкалу.
По поводу шкал для переменных резисторов надо сказать отдельно. Резисторы характеризуются двумя углами поворота: механическим и электрическим. Механический угол - это ход между упорами, дальше ось физически повернуть нельзя. Электрический угол - это ход, когда меняется сопротивление. Электрический угол всегда меньше механического, потому что на краях резистивного элемента есть площадки с практически нулевым сопротивлением. Они получаются за счет того, что для выводов резистора требуется какое-то место. Поскольку резисторы были куплены на рынке, значения углов для них неизвестны. Я нарисовал в Corel и распечатал шкалу, содержащую линии через каждые 5°. Затем закрепил резистор на кусочке пластика с этой шкалой и одел ручку. Поворачивая ручку, отмечал на шкале, как меняется сопротивление. В результате получилось, что механический угол составляет 300°, а электрический - 270°. Поэтому в начале и конце шкалы есть целый сектор, где ничего не меняется.
Еще была обнаружена заметная нелинейность сопротивления от угла поворота. Причем для каждого экземпляра резистора - своя. Была мысль нарисовать на передней панели нелинейную шкалу, которая точно бы соответствовала выходному напряжению. Но опять красота взяла верх.
С переменными и подстроечными резисторами есть еще один нюанс. Важно соблюсти правильное направление регулировки. При вращении по часовой стрелке регулируемая величина должна увеличиваться. Когда резисторы установлены на передней панели, обратное направление регулировки сразу бросается в глаза, таких ляпов обычно не допускают. А вот с подстроечными резисторами иногда бывают казусы. Поэтому при создании компонента в PCAD всегда проверяю, чтобы при вращении по часовой стрелке движок перемещался вверх по схеме.
Конец мучений с компоновкой приходит тогда, когда заканчивается разводка печатных плат. Все влезло, ничего больше двигать не надо, прибору - быть. С платами повезло, они даже развелись односторонними. Причем на каждой из плат понадобились лишь считанные перемычки. В начале работы возможности разводки явно были недооценены. В нормальном качестве платы и схемы показать здесь сложно, потому что формат ЖЖ не предусматривает присоединение файлов pdf.
Теперь можно переходить от теории к практике. Как обычно, изготовление любой конструкции начинается с корпуса. Отходим от компьютера и погружаемся в стружки и опилки.
Первым делом нужно доработать корпус - сделать вырез для передней панели и выключателя. Фрезеровать корпус не так легко из-за его малой жесткости. Приходится мудрить с креплением, чтобы зажать стенку как можно ближе к месту резки.
В общем, все прошло успешно. Окно вырезано, его пришлось немного подравнять длинной фрезой, закрепив крышку вверх ногами. Фото этого процесса я уже постил под названием «Вечерний пейзаж».
Нижняя часть корпуса имеет стенки пониже, ее проще закреплять и фрезеровать.
Обе половинки корпуса готовы, все необходимые доработки сделаны. Небольшая примерка.
Теперь можно приступать к самому сложному - передней панели. Творчество в Corel дало какую-то смутную многослойную конструкцию с неясными до конца размерами. Ясно только одно - панель реализуема. А как конкретно, можно подумать прямо в процессе изготовления, чтобы не скучать. К тому же, полного и точного чертежа корпуса Z-16 нет, а тут важна каждая мелочь. Например, небольшие бугорки на внутренней стороне крышки, которых на чертеже нет вообще. Поэтому работаем по месту. От руки делаю эскиз деталей панели, по ходу уточняя размеры. Вырезаю из черного пластика заготовки деталей и размечаю их. В качестве материала использую панели от тех же корпусов серии Z, они иногда остаются, когда панель заменяется металлической или оргстеклянной, вырезанной лазером.
Пользуюсь новой готовальней, купленной на Поле Чудес, а то мой старый циркуль-измеритель прилично износился за 25 лет. Таким циркулем размечаются большие круглые отверстия. В данном случае - отверстия для ручек регуляторов. В разных деталях они разного диаметра. Самый верхний слой - ручки в него утапливаются, диаметр отверстия чуть больше диаметра ручки. Второй слой - утапливаются только гайки. Третий слой - сквозь него проходит резьбовая часть потенциометров.
Прямоугольный паз фрезеруется, а отверстия делаются вручную. Можно, конечно, было их проделать резцом в расточной головке, но одна только установка головки и заготовки на станок займет столько времени, сколько будет потрачено на всю работу вручную. Можно также их было фрезернуть на поворотном столике, но такого столика нет, не успел заказать в Китае. Во всяком случае, не надо пытаться сверлить большие отверстия одним махом, ничего хорошего не выйдет. В лучшем случае будет уход в сторону, в худшем - рваные края, что будет трудно исправить.
Диаметр ручек 14 мм, отверстия для них нужно делать с зазором, выбрал 15мм. Каждое отверстие сначала высверливается по контуру, затем удаляется внутренняя часть, затем обрабатывается круглым напильником. Сначала обрабатываем грубо, по всей окружности чуть не доходя до разметочной линии.
Правое отверстие обработано, разметочная линия хорошо видна, она осталась нетронутой. Штангель при этом показывает 14.8 мм, т.е. с каждой стороны осталось по 0.1 мм. Чистовую обработку отверстий обычно делаю развертками. Стараюсь покупать развертки на ходовые размеры. Оказалось, развертка 16 мм для ручек энкодеров есть, а 15 мм - нет. Ну что же, придется вручную обрабатывать до конца. Опять беру круглый напильник и вертикальными движениями дорабатываю отверстие, наблюдая, как утоньшается разметочная линия.
В конце обработки можно взять более мелкий напильник или надфиль и выровнять внутреннюю шероховатость в отверстии. Конечно, чистота поверхности не такая, как после развертки, но вполне сойдет. Последний штрих - зенковка для удаления заусенец и снятия небольшой фаски.
Примерил ручку - зазор 0.5 мм с каждой стороны выглядит очень большим. Неужели совершил ошибку, выбрав такой диаметр отверстий? Но позже, когда установил на свои места резисторы, одел ручки и покрутил их, стало ясно, что нужен именно такой зазор. Дело в том, что ручки имеют значительный эксцентриситет, и чем меньше зазор, тем он заметней.
Заготовки для деталей панели тоже вырезал вручную. Потому что лень по 4 раза устанавливать каждую заготовку на станок. Вручную - быстрее. Сначала идет разметка, нужно получить царапину на поверхности. Затем идет работа ножовкой с припуском в несколько десятых миллиметра, затем обработка напильником до утоньшения разметочной линии. Чтобы результат получился хорошим, нужен правильно выставленный свет, который должен отражаться от одной из стенок царапины, делая ее контрастной. Нужен доступный правый край стола, чтобы с него можно было свесить заготовку. Ее можно закрепить струбциной, хотя обычно достаточно прижать пальцами. Напильник нужно держать строго вертикально. Сам напильник должен быть острым. Напильники надо регулярно менять. Я люблю большие массивные плоские напильники с крупной насечкой, даже когда речь идет о снятии десятой миллиметра. Все регулируется силой прижима. Мелкий напильник, скорее, нужен для удаления шероховатости, оставленной крупным, но не для подгонки размеров. Результат - электронный штангель показывает размер детали 43.95 мм при разметке 44 мм. Вполне нормальный результат.
Заготовка для второго слоя передней панели выпилена, теперь ее надо разметить и сделать все вырезы и отверстия.
Третий слой самый простой, это всего лишь небольшая полоска пластика с двумя отверстиями для потенциометров и маленькими пазами для их фиксирующего выступа. Делаю все по месту.
Примерка дала неутешительные результаты. Получается, крышка корпуса Z-16 плохо документирована. Пришлось даже немного подрезать ее внутренние конусные стойки. Но больше всего пострадал второй слой передней панели. Пришлось его укоротить, наклеить возле торца полоску более тонкого пластика, а после очередной примерки сделать по бокам фрезой выборки. Тут я немного ошибся, надо было выборки делать не на всю толщину, а так появились небольшие щели в углублениях для ручек потенциометров. Правда, в собранном приборе увидеть их невозможно.
Многослойная панель склеена, потенциометры установлены. Примерка с крышкой корпуса не выявила больше никаких ошибок. Генеральная примерка с нижней половинкой корпуса и клеммником тоже прошла успешно. На первый взгляд, механическая часть работы закончена. Но это только на первый взгляд. Еще придется произвести немало стружек.
Следующий крупный этап работы - изготовление печатных плат. Очень нелюбимое мной дело. По двум причинам. Во-первых, работа грязная - стеклотекстолитовая пыль, пыль с наждачки, всякие химические растворы. Во-вторых, результат почти всегда не устраивает, а такая работа не может нравиться в принципе. Но здесь ситуация не такая печальная, так как платы односторонние. Это сильно упрощает дело. Радует то, что не надо заботиться о совмещении сторон. На двухсторонних платах всегда с замиранием сердца смотришь, в каком месте площадки переходного отверстия выйдет сверло с другой стороны.
Как всегда, использую ЛУТ. Лучше всего зарекомендовала себя глянцевая фотобумага для струйников, ее и беру.
Заготовки вырезал из одностороннего текстолита ножовкой, совершенно не заботясь о геометрии, так как добавлен приличный припуск со всех сторон. Только лишь убрал мелким напильником заусенцы. Зачищаю заготовки старой-старой стертой шкуркой на тряпичной основе, она делает это лучше любой новой.
Закрепляю заготовку на распечатке скотчем. Какая радость, не надо ничего совмещать, лишь бы попасть рисунком на кусок текстолита.
Утюжу, остужаю под струей воды - если бумагу начать отрывать горячую, тонер отваливается от фольги. Размокшая бумага легко отрывается, лишь кое-где пальцами пришлось удалить ее остатки. Перевод рисунка можно назвать идеальным.
Дальше нужно химичить. Беру хлорное железо, насыпаю где-то 100 г в ванночку и заливаю кипятком.
Раствор готов. Бросаю туда платы фольгой вверх, чтобы следить за процессом. Следующий этап - медитативное покачивание ванночки и наблюдение за тем, как жадный раствор миллиметр за миллиметром съедает металл фольги. Я специально не автоматизирую этот процесс, чтобы не исчезли из жизни эти прекрасные минуты. Время быстро летит, через 10 минут платы выглядят изрядно поетыми.
Теперь надо следить за платами, чтобы они не перележали в растворе лишнего. Оставшийся слой меди тонок, всего через 3 минуты маленькая плата готова, а еще через 3 - большая.
Продолжение следует...