Как выбрать и проверить схему?

Все мы временами ошибаемся, или иначе, не ошибается тот, кто ничего не делает. Иногда мы ошибаемся в принятии решения. Так, влекомый любопытством, я решил посмотреть, как выглядит новый оконный менеджер KDE операционной системы Linux. Прочитав рекомендации по обновлению старой версии на новую, я обновил менеджер в дистрибутиве Fedora 8, с которым работал последнее время.

Расплатой за любопытство стало то, что теперь вместо стабильной версии я работаю в разрабатываемой, каждодневно и много обновляемой и съедающей мой трафик. Сожалеть ли о неверно принятом решении, я еще не решил, хотя некоторые проблемы появились. Что ж, иногда делаешь ошибки при принятии решения.

Иногда ошибки делаешь в процессе работы. Самыми обидными бывают «опечатки». Об одной такой опечатке, когда при выводе на орбиту американского спутника из-за того, что программист перепутал точку с запятой и двоеточие, пришлось уничтожить и спутник и ракету-носитель, о такой опечатке я читал много лет назад в каком-то из журналов.

Как правило и начинающие, и опытные любители, следуя практике профессионалов, предпочитают создавать свои схемы на основе тех, что находят в книгах, журналах, а сегодня и в Интернете на многочисленных радиолюбительских сайтах. Схем много. Как не ошибиться при выборе схемы? Как понять, есть ли в схеме опечатки «до вывода ее на орбиту»?

На примере разных схем, которые я намерен взять на сайте «Радиотехник», я хочу рассказать, как я подошел бы к выбору схемы. Это не означает, что я лучше других знаю, как это сделать. Это не означает и, что если вы иначе подходите к выбору, то вы неправы. Здесь каждый волен поступать, как находит нужным, как ему удобнее, как ему «уютнее». Радиолюбителя окружают любимые книги и журналы, приборы, которые не с неба упали, а были куплены на совсем не лишние деньги, и интересы, которые могут меняться, а могут и сохраняться длительное время. Все это создает тот уютный мирок, где любитель чувствует себя «дома».

Так что, все, о чем я хочу рассказать, относится только к моим предпочтениям, и вам совсем не обязательно следовать этому подходу. Мне так удобнее, вот и все.

Первое, с чего я начал бы выбор схемы — постарался понять, как работает каждая из приглянувшихся. Или должна работать. Бывает так, что название схемы может ввести вас в заблуждение. Хотя и редко, но так бывает. Приступая к выбору, вы уже более или менее четко сформулировали задачу. И теперь вы хотите, и это правильно, найти самое простое решение, которое полностью удовлетворяло бы вас. Но иногда, во всяком случае со мной, бывает так, что даже читая описание схемы, не замечаешь «подводных камней», очарованный первым впечатлением. И только собрав, иной раз сразу на выполненную собственноручно печатную плату, всю схему, вчитываешься в текст, который неоднократно читал до этого, и видишь превращение подводных камней в непроходимые горные хребты.

Лично мне помогает до покупки деталей и изготовления печатной платы рассмотреть работу схемы за компьютером. Не все может получаться в этом процессе. Не всегда программа дает ответы на все возникающие вопросы. Но, работая с программой, вольно или невольно задумываешься о деталях, прежде укрытых вашим представлением о том, как все могло бы быть, и начинаешь видеть то, что есть на самом деле.

Схемы, о которых пойдет речь ниже, подобраны достаточно случайно, выбор обусловлен, порой, настроением и погодой, а не продуманной методикой. Между выбранными нет сложных схем. Их труднее рисовать, но даже и не по этой причине я их избегаю, а по причине того, что все сложные схемы, в конечном счете, приходится разбивать на более простые функциональные узлы, не слишком превосходящие по размеру то, что будет представлено.

Заманчивым кажется сюжет сравнения разных схем, решающих одну и ту же задачу. Но для сравнения обязательно должен быть конкретный набор «вводных», конкретный перечень условий, которым должно удовлетворять решение. А таких наборов в разных случаях может быть весьма много. Кроме того, некоторые схемы могут оказаться «капризны», чем вызовут мое неудовольствие, и я выскажусь против них, тем самым без каких-либо серьезных оснований обидев автора схемы. Так что, от сравнения я воздержусь, а если в порыве негодования позволю эмоциям выплеснуться наружу, так это только эмоции. Не более того.

Автоматика в быту — регулятор сетевого напряжения

С сайта cxem.net

В. Янцев, Моделист-Конструктор №4, 1990 г., стр.21

В последнее время в нашем быту все чаще применяются электронные устройства для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких приборов управляют яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей...

Регулирующий элемент прибора — транзистор VT1 (рис.1.1).

Рис. 1.1

Я не привожу все описание, которое можно найти на сайте вместе со схемой.

Пробуем разобраться

Не то, чтобы были сомнения, отнюдь, и статья достаточно подробно описывает работу схемы, но прежде, чем приступать к подбору деталей и пайке, хочется получше понять, как все происходит в устройстве. У меня есть несколько программ, которые должны помочь с этим, если меня не устроит одна из них, я использую другую, и даже интересно посмотреть, как работает каждая из них с одной и той же схемой.

Рассмотрев схему, я припоминаю, что очень давно встречал похожую, которая использовалась в качестве электронного предохранителя. При исправной нагрузке транзистор полностью включался и к нагрузке поступало полное сетевое напряжение, а когда устройство слежение за током нагрузки обнаруживало существенное превышение этого тока над заданным значением, транзистор закрывался, принимая все напряжение «на себя». Схема была призвана заменить обычный предохранитель, или дополнить обычный предохранитель. Смысл такого дополнения в том, что обычный предохранитель предназначен для защиты сетевых проводов от перегрузки, а вас от неприятностей, связанных с коротким замыканием в питающей сети, при неисправности устройства, телевизора или радиоприемника. В задачу предохранителя не входит защищать само устройство, поэтому предохранитель выходит из строя (срабатывает, перегорает) не сразу, а через некоторое время. Тогда как, в устройстве, а уже тогда использовалось много транзисторов и микросхем, в устройстве при перегрузке транзисторы могут выходить из строя очень быстро. Чтобы этого не произошло, следует ускорить работу предохранителя, что и было предложено разработчиком схемы. Особенно удобен такой быстродействующий предохранитель в учебных заведениях, где проводятся лабораторные работы с электрическими схемами, которые собираются учащимися. Ошибки в монтаже схемы могут повлечь за собой выход из строя лабораторного оборудования даже при наличии автоматов отключения потребителя, а электронный ключ предотвращает такой исход. Вернемся к схеме.

Мне удобнее трансформировать схему, как это показано далее.

Рис. 1.3. Повторение схемы в Qucs

Напряжение на «лампочке» (R1) при напряжении батарейки V3 = 1 В получается 10 В. Но, изменяя напряжение V3, можно получить другой результат.

Рис. 1.4. Напряжение на лампочке при напряжении V3 = 1.5 В

Таким образом, транзистор Т1 играет роль управляемого сопротивления, чем больше напряжение на его базе (чем больше ток базы), тем меньше сопротивление, тем больше напряжение в нагрузке. То, что биполярный транзистор элемент токовый, и удобнее рассматривать ток базы, а не напряжение на базе, можно подчеркнуть, заменив источник постоянного напряжения V3 на источник постоянного тока. В этом случае можно отказаться от сопротивления R2, задача которого ограничить ток базы. Источник постоянного тока (не напряжения, а тока) имеет достаточно большое внутреннее сопротивление и обеспечивает заданный ток базы, независимо от сопротивления нагрузки.

Рис. 1.5. Замена источника напряжения в базовой цепи на источник тока

Аналогично предыдущему опыту можно изменить значение тока источника I1 до 100 мА и получить напряжение на выходе другой величины.

Рис. 1.6. Результат изменения тока базы регулирующего транзистора

К моделированию схемы в программе Qucs мне остается добавить, что в свойствах моделирования переходного процесса я убрал начальную инициализацию на постоянном токе (параметр initialDC можно поставить в состояние yes и no, в последнее я его и перевожу).

Меня немного смущает вид переменного напряжения на всех диаграммах, кроме последней. Синусоидальный сигнал либо обрезается, либо превращается в прямоугольные импульсы, как на рисунке 1.5. Можно проверить это в другой программе, что я и намерен сделать. Мои сомнения относятся к базе многих программ при симуляции работы электрической схемы SPICE. Разные программы используют разные версии этого универсального симулятора, используют свои алгоритмы. Вначале пусть будет SwCAD III.

Рис. 1.7. Повторение предыдущего эксперимента в программе LTspice (SwCAD III)

При токе источника I1 равном 0.2 мА искажения тоже имеют место, хотя я постарался выбрать транзистор с допустимым напряжением эмиттер-коллектор равным 150 В, а амплитуду переменного напряжения ограничил 100 В. При токе в 2 мА характер напряжения меняется.

Рис. 1.8. Характер напряжения при управляющем токе 2 мА

Таким образом, когда транзистор полностью открыт, а разные токи полного открывания транзистора могут зависеть от статического коэффициента усиления, тогда напряжение практически синусоидально, иначе его форма искажена. Но характер искажений в двух программах различен. Зависит ли это от моделей транзисторов, от программ или эти искажения появятся и в реальной схеме? Самый простой способ выяснить это — собрать схему на макетной плате. Но мне хотелось бы выяснить все до сборки, тем более, что я не люблю работать с напряжениями больше 5-12 В. Не люблю, хотя и приходится иногда.

Попробуем разрешить эти сомнения, собрав схему еще в одной из программ, Proteus.

Рис. 1.9. Работы схемы в программе Proteus при управляющем токе 0.2 мА

Видимые искажения могут быть обусловлены тем, что управляющий транзистор, все-таки, не резистор, и его свойства могут зависеть от напряжения на коллекторе, определяемого регулируемым напряжением источника V1. Окончательная проверка возможна только на макетной плате, но я вполне готов довериться программам.

Собственно, зачем программы и схемы? Мне хотелось бы немного поговорить о том, что не так бывает с устройствами, со схемами, которые повторяешь или разрабатываешь сам. Обычно, начиная с макетной платы, ты проходишь тот же путь, который я хочу пройти с программами симуляции электрических цепей.

Очень часто транзисторы выходят из строя так, что перестает работать переход эмиттер-база. Если проверить этот переход с помощью мультиметра, то он ведет себя в точности так, как ведет себя сопротивление величиной в несколько ом (или десятков ом). Попробуем заменить переход транзистора сопротивлением в несколько ом, удалив источник базового тока.

Рис. 1.10. Работы схемы при выходе из строя базового перехода транзистора

Что же, ток в «лампочке» будет определяться токами утечки транзистора, будет очень мал, а, следовательно, и напряжение на нагрузке будет очень мало. В реальной схеме (рис. 1.1) положение регулятора, резистор R1, не будет влиять на яркость свечения лампы, она не будет светится.

Кстати похожая картина будет наблюдаться при неисправности цепи, создающей базовый ток управляющего транзистора, не будет напряжения на резисторе R1 (рис. 1.1), не будет напряжения на нагрузке. Если неисправность питающего блока вызовет уменьшение управляющего напряжения, то это приведет к уменьшению базового тока и уменьшению напряжения на нагрузке.

Еще одним из часто встречающихся повреждений транзистора бывает пробой эмиттер-коллектор, когда мультиметр показывает сопротивление в несколько десятков или сотен ом при проверке транзистора, и величина этого сопротивления не меняется при смене полярности подключения выводов к прибору. Чтобы увидеть результат такого повреждения заменим транзистор резистором R2 = 100 Ом.

Рис. 1.11. Осциллограмма напряжения на нагрузке при пробое транзистора

При такой неисправности лампочка может светиться, но ее яркость перестанет управляться, свечение лампочки обусловлено соотношением величин сопротивления пробитого транзистора и лампочки. Если сопротивление лампочки много меньше, чем пробитого транзистора, то лампочка и светиться не будет.

Если диоды моста D1-D4 выбраны неправильно, то они тоже могут выйти из строя, и будут вести себя подобно пробитому транзистору. Заменим два из диодов в схеме резисторами сопротивлением в 100 Ом. Выбор именно этих диодов ничем не обусловлен и случаен. Можно перебрать все варианты и увидеть, как ведет себя схема в каждом случае. Некоторые программы позволяют вводить в свойствах заданные неисправности, но это не меняет сущности происходящего, а выгода от использования программы только в том, что нет необходимости, скажем, производить намеренную поломку компонента, или проверять мощность необходимого для «подмены» резистора.

Но если вас интересует, или есть необходимость, проверка всех возможных случаев выхода из строя компонентов устройства, есть смысл составить предварительный список, который в дальнейшем и будет проверен. При этом можно учесть не только один вид неисправности, но все виды, скажем, и пробоя диода, приводящего к тому, что он превращается в резистор, и пробоя, приводящего к обрыву диода. Поведение устройства может оказаться различным при разных характерах повреждения.

Рис. 1.12. Поведение схемы при пробое диодов

Как видно из осциллограммы, ток от источника переменного напряжения обходит управляющую цепь, а напряжение на резисторе нагрузки R1 определяется соотношением сопротивления нагрузки и пробитых диодов. Внешне результат может выглядеть аналогично предыдущим экспериментам, то есть, «лампочка» может гореть (или нет, это зависит от сопротивления), но регулировка отсутствует.

Можно продолжить эксперименты по проверке поведения устройства при возникновении неисправностей, но меня больше интересует еще один аспект — регулировка яркости «лампочки» связана с рассеиваемой на транзисторе мощностью. Выделяемое тепло отводится радиатором. А как велика эта мощность? Тем более, что в разных режимах, при разных положениях регулятора R1 (рис. 1.1), эта мощность, видимо, различна.

Программа Qucs позволяет легко добавить измерители тока и напряжения к интересующим меня элементам электрической цепи, позволяет дополнить эти измерения уравнением, которое перемножит полученные значения тока и напряжения. Результат этого действия можно отобразить на диаграмме. Вот модификация схемы.

Рис. 1.13. Модификация схемы в программе Qucs для наблюдения за рассеиваемой на транзисторе мощностью

А так выглядят осциллограммы напряжения, тока и мощности на управляющем транзисторе.

Рис. 1.14. Осциллограммы предыдущей схемы

Нижняя осциллограмма относится к мощности, рассеиваемой на транзисторе T1. По этой осциллограмме можно определить максимальную рассеиваемую мощность или среднюю за период. Максимальная мощность при таком положении регулятора R1 (рис. 1.1) не превышает 0.5 Вт, то есть, мощность, которую легко «переживет» мощный транзистор даже без теплоотвода. Но ситуация существенно изменится, если мы «пригасим» лампу: при уменьшении амплитуды переменного напряжения на нагрузке до 50 В осциллограммы, аналогичные предыдущим выглядят уже иначе. Для этого достаточно изменить ток источника I1 до 10 мА, слегка «закрыв» транзистор T1.

Рис. 1.15. Осциллограммы при уменьшении управляющего тока до 10 мА

Если предыдущие эксперименты меня интересовали больше в качественном плане, я мог использовать «ненадлежащие» значения резисторов, транзистор с неопределенными параметрами, то максимальная мощность рассеивания на транзисторе 150 Вт должны заставить меня задуматься.

В первую очередь это относится к сопротивлению нагрузки, «лампочке», которая будет светиться. При мощности близкой к реальной ее сопротивление должно быть около 1 кОм. Затем следовало бы позаботиться о применении диодов, способных выдержать обратное напряжение при заданном напряжении источника питания. И, наконец, следует подобрать транзистор с допустимым напряжением коллектор-эмиттер, которое не меньше, чем амплитуда напряжения источника V1.

Все необходимые компоненты в программе Qucs можно найти в разделе «Библиотека компонентов» пункта «Инструменты» основного меню. Не все компоненты имеют развернутый список параметров, но выбрать нужные из длинного списка доступных вполне возможно.

После замены значения резистора R1 приходится немного изменить свойства еще одного компонента — «Моделирование переходного процесса», который я несколько раз менял в предыдущих случаях. А заканчивается процесс настройки симуляции подбором управляющего тока источника I1, в данном случае я остановился на значении 1 мА.

Рис. 1.16. Схема регулятора напряжения после проведенных замен

Диаграмма показывает, что напряжение на нагрузке около трети питающего напряжения, что, в свою очередь, может означать слабое свечение «лампочки» и вполне ощутимое рассеивание мощности на транзисторе. Диаграммы (сверху-вниз) напряжения, тока и мощности, рассеиваемой на транзисторе T1, выглядят теперь следующим образом.

Рис. 1.17. Осциллограммы напряжения, тока и мощности транзистора T1

Эти диаграммы должны снять обеспокоенность по поводу рассеиваемой на транзисторе мощности. Теперь максимальная мощность не превышает 8-9 Вт, а такую мощность можно рассеять с помощью обычного радиатора. Дополнительно вид напряжения на нагрузке становится похож на полученный в других программах, что означает — нужно позаботиться о правильном выборе всех элементов схемы, если хочешь получить правильные результаты. Впрочем, это было ясно с самого начала.

Итак, можно сказать, что выигрыш от применения транзистора вместо тиристора в регуляторе напряжения делает габариты устройства больше, но в настоящее время есть тенденция помещать подобные устройства, если говорить именно о регулировке яркости света, в силовых шкафах, где габариты не столь важны, да и фильтры, которые могут потребоваться в случае тиристорного управления, могут сблизить габариты обоих устройств.

Дальнейшие эксперименты с устройством можно было бы обозначить в следующих направлениях: замена трансформатора для получения управляющего напряжения чем-то менее габаритным, замена управления током базы транзистора с помощью потенциометра чем-то более компактным и надежным и т.д. Но это скорее интересные эксперименты, чем необходимые. Схема такая, какая она есть, и совершенствовать ее особой необходимости нет.

Где же выбор?

Действительно, как соотнести это с названием «Как выбрать...»?

Выбор, естественно, из схем, представленных на сайте, где есть и тиристорные схемы, и, возможно, схемы электронных трансформаторов и т.д. Если меня останавливает необходимость применять радиатор, например, я хотел бы встроить схему в обычный выключатель света, а радиатор слишком велик для этого, я рассмотрю работу другой схемы. А если вспомню, пока рассматриваю работу схемы, что к обычному выключателю света подводится только фаза и нет нулевого провода, то появится новый критерий выбора. Или предмет для размышлений. И паяльник лучше выключить — рано я его включил.