Обычно я разрабатываю электронные модули унифицированных размеров 100×100 мм, которые легко встраиваются в полноразмерные корпуса благодаря наличию достаточного пространства. Однако бывают случаи, когда приходится действовать наоборот — создавать модули, адаптированные под строго ограниченные габариты корпуса. Тогда неизбежны компромиссы: схемотехника подстраивается под конкретные размеры печатной платы. Нужно буквально "ужиматься", чтобы сохранить функциональность, предусмотренную техническим заданием, в пределах заданных габаритов. В такой ситуации уже невозможно придерживаться концепции унифицированных модулей, и форма платы становится уникальной, соответствующей конкретному проекту.
Сегодня я расскажу о интересном проекте универсального блока питания для малогабаритного лампового предварительного усилителя или фонокорректора. Разработанный модуль не только содержит блоки для питания анодных и накальных цепей радиоламп, но также имеет дежурный блок питания и встроенный блок управления устройством для реализации большого количества пользовательских задач.
Для небольшой затравки покажу пару фотографий разработанного модуля, о котором пойдет речь в этой публикации.
Несмотря на небольшие габаритные размеры получившийся модуль оказался весьма энергонасыщенным.
Ниже будет представлена принципиальная схема модуля, а пока я покажу процесс проектирования печатной платы в ПО DipTrace.
На основе разработанного проекта был создан Gerber-файл, по которому были изготовлены печатные платы. Их фотографии представлены ниже.
Многие радиолюбители часто пишут на почту, что хотели бы так или иначе поучаствовать в разрабатываемых проектах, применить модуль в своем проекте, приобрести Gerber-файл или ПО к контроллеру, размещенному на модуле, чтобы использовать наработки в своих проектах. Поэтому я сразу отвечу на наиболее популярные вопросы.
1. Можно ли приобрести пустую плату/собранный модуль? Да, я предоставляю по вашему запросу печатную плату или полностью собранный модуль;
2. Осуществляете ли Вы техническую поддержку и помощь по сборке модуля? Да, я предоставляю всю необходимую информацию по модулю (принципиальные схемы, фото, особенности сборки и прочее), примененным комплектующим и их возможным аналогам.
3. Можно ли приобрести Gerber-файл? Нет, нельзя.
4. Можно ли приобрести исходный код для контроллера, размещенного на модуле? Нет, нельзя. Можно приобрести модуль с установленным на нем запрограммированным контроллером.
Ну а теперь, когда у меня на руках комплект изготовленных печатных плат, самое время приступить к сборке устройства!
Я подробно расскажу о устройстве блока питания, этапах сборки и назначении ключевых компонентов.
Универсальный блок питания сравнительно малогабаритный, но достаточно функциональный и включает в себя следующие блоки:
- дежурный блок питания - для поддержания работоспособности устройства в условно выключенном состоянии (ждущий режим);
- блок управления - для вывода текстовой, графической и символьной информации на TFT-индикатор, управления лестничным дискретным аттенюатором громкости, работы с пультом ДУ и множества других сервисных функций;
- анодный выпрямитель - для формирования питающего напряжения анодных цепей радиоламп предусилителя или фонокорректора;
- стабилизатор накала - для питания накальных цепей радиоламп предусилителя или фонокорректора.
Полная принципиальная схема блока питания не помещается в рамках общей картинки, поэтому мне пришлось разбить ее на ранее обозначенные функциональные блоки (фрагменты).
И начнем мы с дежурного блока питания.
Что значит полная схема связей?
Это значит, что некоторые элементы, указанные на этой схеме, дублируют друг друга. Это делается для того, чтобы в зависимости от поставленной задачи можно было применить различные элементы (разной мощности, цоколёвки, размеров и так далее). Это значит, что в реальной схеме устанавливаются не все элементы, а только некоторая часть, которая обеспечивает решение поставленной задачи, но разработчик заложил на плату множество вариантов и реализовал их с помощью дублирования.
Входное сетевое питание 230 В с основного разъема, расположенного на корпусе устройства, подается на клеммник J2 (обозначение на плате "230В АС"). Посадочное место под клеммник имеет пропил безопасности для исключения возможных потенциальных проблем с высоким напряжением.
В связи с тем, что блок дежурного питания работает непрерывно продолжительное время без отключения от сетевого напряжения - его цепи защищены плавкими предохранителями F1, F2. Варистор VAR1, конденсаторы С3, С7 вместе с синфазным дросселем СМ1 образуют помехоподавляющий EMI-фильтр в соответствии с рекомендациями по применению AC/DC преобразователя напряжения U1/U2. Посадочное место дросселя СМ1 универсальное и позволяет установить малогабаритные дроссели наиболее популярных типоразмеров (8х5, 8х6, 8х7 мм). Конденсатор С3 имеет дополнительный отвод J5 - это сделано для возможности применения конденсаторов двух стандартных типоразмеров (10 и 15 мм).
Клеммник J3 (обозначение на плате "ТР_230В") предназначен для подключения первичной обмотки анодно-накального трансформатора устройства. Клеммник J3 должен иметь конструктив исполнения "под 45°" для удобного выхода сетевых проводов. Посадочное место под клеммник J3 также имеет пропил безопасности для исключения возможных потенциальных проблем с высоким напряжением.
Коммутация питания анодно-накального трансформатора осуществляется с помощью реле К1, которое управляется сигналом от микроконтроллера. Я применил реле Tyco Schrack RX134012. Высоковольтная группа реле К1 отделена от обмотки управления пропилом безопасности.
Преобразователь напряжения AC/DC (U1/U2) имеет универсальное посадочное место под модели, рассчитанные на выходную мощность 3 Вт (HLK-PM01) или 5 Вт (HLK-5M12). Преобразователь устанавливается на необходимое выходное напряжение и мощность. Мне в моей конструкции было удобно применить HLK-5M12 с выходным напряжением 12 В и выходной мощностью 5 Вт (0.42 А).
Конденсаторы С10, С14, С18, С22, С24 - фильтрующие, для устранения пульсаций и обеспечения стабильной работы стабилизатора напряжения VR4 (78M05). Радиатор охлаждения для стабилизатора напряжения VR4 выполнен в виде сплошных полигонов с открытой маской с обеих сторон печатной платы.
Резисторы R34, R35 - балластные для снижения рассеиваемой мощности на стабилизаторе напряжения VR4.
Индикация работы дежурного блока питания осуществляется с помощью светодиода D7 зеленого цвета свечения.
Схема сборки дежурного блока питания в моем варианте выглядит следующим образом.
На этом этапе можно включить электронный модуль в сеть питания и проверить контрольные напряжения питания (+12 В, +5 В). Если все собрано правильно, то на выходе преобразователя напряжения будет 12±0.5 В, на выходе стабилизатора напряжения 5±0,1 В. Индикатор питания D7 будет светиться зеленым цветом.
Как видите - все собирается достаточно плотно, поэтому нужно внимательно следить за этапами установки электронных компонентов. Сборка должна вестись изнутри - наружу, иначе вы не доберетесь паяльником до необходимых выводов, которые будут перекрыты преждевременно запаянным электронным компонентом.
Следующий этап сборки - блок управления.
Блок управления реализован на плате Arduino Nano. Можно было бы использовать отдельный микроконтроллер Atmega328P, но, по моему убеждению, это не имеет особого смысла!
Во-первых, плата Arduino Nano дешевле, чем отдельно микроконтроллер Atmega328P, установленный в нем.
Так как спрос на них разный, платы продаются миллионными тиражами, а контроллеры продаются значительно в меньших количествах.
Во-вторых, с отдельным контроллером придется разводить всю его обвязку и периферию, а на плате Arduino Nano уже все сделано для моего удобства (я про USB-UART, удобный USB-разъем для подключения и прочую периферию). В-третьих, под Arduino Nano удобно разводить печатную плату. Шаг выводов модуля 2.54 мм, что позволяет пропускать проводник даже между выводами.
Плата Arduino Nano имеет плотный монтаж с обеих сторон и установка ее в качестве субмодуля очень экономит пространство, которое в противном случае было бы занято на площади основной платы.
А зачем нам вообще блок управления в устройстве? Сейчас расскажу!
Ниже приведена полная схема связей блока управления.
Блок управления выполняет много функциональных задач:
- Вывод текстовой, символьной и графической информации на TFT ЖК-индикатор.
Нам же нужно видеть, например, уровень громкости и другие параметры разрабатываемого устройства!?
Для подключения внешнего TFT ЖК-индикатора предусмотрен разъем J14. Транзистор T3 (BCX53-16) предназначен для регулирования яркости ЖК-индикатора. Сплошной полигон с открытой маской на печатной плате выполняет функцию небольшого теплоотвода для транзистора Т3.
- Измерение внешней освещенности для адаптивной регулировки яркости ЖК-индикатора. Разъем J13 предназначен для подключения датчика освещенности.
Очень удобно и приятно, когда яркость ЖК-индикатора меняется в зависимости от внешней освещенности. В яркий солнечный день яркость ЖК-индикатора максимальная, при отключении внешнего освещения в темном помещении яркость автоматически снижается и не перетягивает на себя внимание пользователя.
- Регулирование параметров устройства с помощью энкодера. Для его подключения предусмотрен разъем J6. Энкодер отрабатывает вращение ручки-регулятора влево/вправо и нажатие на вал-кнопку. Цепи обвязки энкодера предназначены для аппаратного подавления дребезга контактов.
- Регулирование параметров устройства с помощью пульта ДУ. Для подключения ИК-приемника используется разъем J12.
- Управление внешним модулем-аттенюатором для регулировки громкости. Подключение внешнего модуля-аттенюатора осуществляется к разъему J9.
- Статусная индикация процессов и состояний устройства. Светодиодный RGB-индикатор подключается к разъему J7.
Это больше сервисная функция, предназначенная для индикации состояний устройства, при которых не используется ЖК-индикатор, например, ждущий режим.
- Управление электропитанием устройства. Осуществляется с помощью силового реле К1, управляемого с помощью ключа Т2 (IRLL110) по сигналу от микроконтроллера. С помощью реле К1 устройство переходит в ждущий или рабочий режим. Светодиодный индикатор D11 красного цвета свечения информирует о подаче сетевого напряжения питания на анодно-накальный трансформатор (переход из ждущего в рабочий режим).
Собранный блок управления выглядит следующим образом.
Принципиальная схема сборки блока управления почти не отличается от полной схемы связей блока управления. Тем не менее я привожу ее ниже.
Следующий этап сборки - анодный выпрямитель.
Схемотехника анодного выпрямителя во многом схожа с "Комбинированный кенотронный блок питания (анодный, накальный) для предусилителя/фонокорректора".
Анодное напряжение нестабилизированное. В модуле предусмотрена возможность установки внешнего дросселя для снижения выходных пульсаций. Также предусмотрен "подъем накала" в виде подачи напряжения смещения с части анодного напряжения на цепь напряжения накала, для снижения уровня шумов. Выходные характеристики блока анодного напряжения определяются схемотехнически и в большей мере зависят от параметров анодной обмотки трансформатора.
Обычно выходной ток не превышает 20-30 мА при выходном напряжении порядка 250-300 В.
Полная схема связей анодного выпрямителя представлена на фото ниже.
Анодное напряжение с обмотки анодно-накального трансформатора подается на клеммник J4 (обозначение на плате "ТР_АНОД"). Посадочное место под клеммник J4 имеет пропил безопасности для исключения возможных потенциальных проблем с высоким напряжением.
Резисторы R4-R7 балластные/ограничительные и устанавливаются при необходимости.
Лично мне нравится применение подобной "резистивной развязки" от обмотки трансформатора. Снижаются пусковые токи, переходные процессы, пульсации и прочие негативные эффекты, влияющие на звуковые характеристики блока питания.
Двуханодный кенотрон Т1 (6Ц4П) включен в гибридном режиме с применением выпрямительных диодов (D2/D3 и D4/D5). Это позволяет использовать одну обмотку анодного напряжения и при этом сохранить достоинства кенотронного выпрямителя (выходное сопротивление, плавное нарастание выходного напряжения). Кенотрон требует от трансформатора отдельную накальную обмотку на 6.3 В/0,8 А о которой нужно не забыть при выборе трансформатора.
Технические характеристики кенотрона 6Ц4П представлены ниже, чтобы не искать по сети.
Выпрямительные диоды D2/D3 и D4/D5 дублируются для возможности выбора типа выпрямительного элемента (выводной или SMD).
Клеммник J8 (обозначение на плате "ТР_6Ц4П") предназначен для подачи накального напряжения на кенотрон Т1 (6Ц4П) - 6.3 В/0.7 А. Посадочное место под клеммник J8 имеет пропил безопасности для исключения возможных потенциальных проблем с высоким напряжением.
Конденсатор С8 - это первый конденсатор фильтра сетевого питания. Имеет два дополнительных отвода (J10, J11) для поддержки конденсаторов различных форм-факторов. Рекомендуются к применению высококачественные конденсаторы. Я в своем проекте применил MCap EVO (Mundorf).
Резисторы R18, R19 - выводные, мощностью 2 Вт, ограничительные резисторы CRC-фильтра, номинал их подбирается в зависимости от входного напряжения, потребляемой мощности и требуемого выходного напряжения, поэтому при первоначальной сборке модуля эти резисторы не устанавливаются. Для лучшего охлаждения резисторов, в печатной плате предусмотрены вентиляционные отверстия. Также вместо ограничительных резисторов R18, R19 может быть установлен внешний фильтрующий дроссель.
Резисторы R22-R24 в тандеме со светодиодным индикатором D8 красного цвета образуют сервисную цепь индикации анодного напряжения.
Конденсатор С20 - основная фильтрующая емкость. Посадочное место разведено под конденсатор диаметром не более 26 мм с расстоянием между выводами 10-11 мм. Рекомендуются к применению высококачественные электролитические конденсаторы с крайне низким эквивалентным последовательным сопротивлением (LowESR). Я в своем проекте применил конденсатор фирмы NICHICON GX(M).
R48-R50, С25, С27 - это "подъем накала", используется для подачи на накал радиоламп потенциала, который является некоторой частью от анодного напряжения. Он запирает паразитный диод катод-накал и снижает уровень шумов и помех. В модуле предусмотрен блок стабилизации накала (о нем я расскажу далее) и резистор R53 обеспечивает подачу напряжения смещения на цепь накала этого блока.
Клеммник J15 (обозначение на плате "АНОД") предназначен для подключения анодных цепей устройства. Должен иметь конструктив исполнения "под 45°" для удобного выпуска высоковольтных проводов. Посадочное место под клеммник J15 имеет пропил безопасности для исключения возможных потенциальных проблем с высоким напряжением.
Принципиальная схема сборки анодного выпрямителя приведена ниже.
Собранный блок анодного выпрямителя выглядит следующим образом.
Последний этап сборки - стабилизатор накала.
Схемотехника стабилизатора накала во многом схожа с примененной здесь.
Выполнен на интегральном стабилизаторе LD1084V с выходным током до 5А. На принципиальной схеме для упрощения указан стабилизатор LM317T, который также может быть использован как "pin to pin" совместимый. Выходное напряжение может задаваться с помощью цепей смещения, выполненных различным способом (делитель напряжения, интегральный параллельный стабилизатор TL431 и др.). В модуле предусмотрена плавная подача накального напряжения в течение приблизительно 30 секунд, что очень благотворно сказывается на жизни радиоламп и устраняет импульсный ток, который способен вывести из строя интегральный стабилизатор напряжения в момент включения.
Выходные характеристики определяются схемотехнически!
Типовые выходные напряжения - 6.3 В и 12,6 В. Выходной ток в среднем 1.5 А, в большей степени параметр определяется возможностями используемого трансформатора и рассеиваемой мощностью применяемого радиатора. Желательно не превышать порог рассеиваемой мощности в 15 Вт.
Я применяю радиаторы фирмы AAVID THERMALLOY.
Heat Sink Passive TO-220 Radial Thru-Hole Aluminum 2.6°C/W Black Anodized
Посадочное место под радиатор сделано универсальным и позволяет устанавливать радиаторы с межосевым расстоянием крепежных выводов 25.4 мм и 17.4 мм. Удобно, неправда ли?
Полная схема связей блока стабилизатора накала представлена ниже.
Клеммник J1 (обозначение на плате "ТР_НАКАЛ") предназначен для подключения обмотки накального трансформатора. Посадочное место под клеммник J1 имеет пропил безопасности.
Фактически пропил безопасности там не нужен в связи с весьма низким рабочим напряжением, но сделан для общей совместимости с другими клеммниками.
Резисторы R1, R2 -балластные/ограничительные радиальные керамические мощностью 5 Вт. Устанавливаются при необходимости в случае, если выходное напряжение обмотки трансформатора завышено. В этом случае часть рассеиваемой мощности можно погасить на них.
RC-цепь C1R3 - демпфирующая цепь служащая для устранения шумов переключения диодов выпрямительного диодного моста D1 (GBJ2510).
Конденсаторы С2, С4-С6 - фильтрующие, для снижения пульсаций и обеспечения входного напряжения стабилизатора U3/VR3.
Конструкция разработанного модуля подразумевает 3 способа установки регулирующего стабилизатора напряжения в роли которого может выступать LM317T или LD1084V.
1. Размещение на ребристом радиаторе, установленном непосредственно на модуле. В этом случае устанавливается только элемент VR3. Охлаждение осуществляется с помощью ребристого радиатора по образу и подобию конструкции, представленной здесь. В печатной плате имеются технологические отверстия под радиатором для лучшей циркуляции воздуха.
2. Размещение на шасси (днище корпуса) прибора. В этом случае используется дублирующее посадочное место U3 максимально смещенное к краю печатной платы. Предполагается, что печатная плата будет устанавливаться боком, а регулирующий элемент U3 будет охлаждаться путем передачи тепла на конструкцию прибора (шасси, днище). В этом случае можно хорошо сэкономить на радиаторе охлаждения используя конструкцию прибора в качестве охладителя.
3. Внешнее размещение регулирующего элемента. В этом случае используется посадочное место одного из регуляторов (U3 или VR3) и регулятор монтируется в удобном месте с помощью соединительных проводов. Это может быть отдельно стоящий радиатор, боковая стенка и т.п.
Несколько слов о регулировке выходного напряжения блока стабилизации накала.
В схемотехнику модуля заложены различные варианты организации выходного напряжения блока стабилизации накала.
1. Делитель обратной связи. В этом случае используется делитель напряжения, образованный резистором R25 и подстроечным резистором R9. Также вы можете отказаться от применения подстроечного резистора и заменить его фиксированным сопротивлением, образованным резисторами R26 и R27.
2. Активная фиксированная опора. В этом случае на вывод ADJ стабилизатора напряжения подается активное смещение.
К примеру, для реализации выходного стабилизированного напряжения 6.3 В, опора должна быть порядка 5.12 В (5.12 + 1.25 = 6,37 В).
Активная фиксированная опора выполняется одним из удобных для монтажа регуляторов VR1 (TL432 в корпусе SOT-23-3), VR2 (TL432 в корпусе SOT-23-3) или U4 (TL431 в корпусе TO-92), которые дублируют друг друга.
Диоды D6, D9 выполняют защитную функцию.
Стабилизатор накала имеет функцию плавной подачи напряжения, для этого необходимо установить регулирующий транзистор Q1 (BC556 в корпусе TO-92) или Q2 (BC857C в корпусе SOT-23-3) и RC-цепь, R45, С23, обеспечивающую плавное нарастание напряжения на выводе ADJ стабилизатора.
Индикация работы блока стабилизатора осуществляется с помощью светодиода D12 зеленого цвета свечения.
На выходе мы имеем фильтрующие емкости C26, С28 - С30 и два выходных клеммника J16, J17 (обозначение на плате "НАКАЛ") для удобного подключения совместимого модуля, например, "Универсальный модуль предварительного усилителя на ламповом SRPP-каскаде".
Принципиальная схема сборки накального стабилизатора приведена ниже.
В конечном итоге собранный модуль универсального блока питания выглядит следующим образом.
Несколько слов о том, что получилось в конечном итоге.
1. Габаритные размеры модуля: 165 х 85 х 75* мм. * - высота указана с небольшим запасом на подложку безопасности (про нее расскажу чуть ниже) и монтажные стойки.
2. Модуль может размещаться как горизонтально, так и боком.
Причем изначально модуль разработан именно для размещения боком в специализированном корпусе, предназначенном для создания лампового предварительного усилителя или фонокорректора.
3. В конструкции модуля предусмотрены технологические отверстия для вывода электрических проводов (при условии, что модуль имеет боковое крепление на шасси устройства).
4. Подложка безопасности - это специализированная подложка, изготовленная по контуру печатной платы из диэлектрического материала. Устанавливается между нижней частью печатной платы модуля и корпусом для исключения потенциального электрического пробоя на корпус и усиления электробезопасности устройства. Обычно я изготавливаю подложки подобного типа с помощью 3D-печати или вырезаю на станке лазерной резки из диэлектрического материала. Функционально результат получается одинаковым.
Подложка безопасности выглядит следующим образом.
Можно, конечно, увеличить зазор между нижней частью печатной платы и корпусом прибора, но я очень трепетно отношусь к вопросам электробезопасности и применение подобной технологии в разы увеличивает надежность устройства. Исключается доступ к печатной платы через вентиляционные отверстия, исключаются возможные повреждения изоляции электрических проводов о острые выводы паяных соединений и т.п.
Скачать файл модели "Подложка безопасности" вы можете здесь.
На этом я с вами прощаюсь!
В следующей теме я соберу ламповый предварительный усилитель на базе этого универсального блока питания. Все подробно покажу и расскажу!
Продолжение следует!
