Высоковольтный пробник с батарейным питанием

В практике радиолюбителя возникают ситуации, когда обычной "прозвонки " недостаточно для проверки важного для надежной работы параметра полупроводникового прибора — например, постоянного обратного напряжения диода, напряжения стабилизации высоковольтных стабилитронов, допустимого постоянного напряжения коллектор—эмиттер биполярных транзисторов и сток—исток полевых. Предлагаемый относительно высоковольтный пробник (испытательное напряжение до 400 В) позволяет проверять вышеперечисленные характеристики, не нарушая работоспособности изделий и без дополнительных измерительных приборов. Кроме того, с его помощью можно проверять качество изоляции между обмотками трансформаторов, разомкнутыми контактами реле и переключателей, проводами многожильного кабеля и электропроводки.
Принцип работы устройства прост: к испытываемому полупроводниковому прибору прикладывают регулируемое постоянное напряжение с ограничением тока, проходящего в цепи.
Плавной регулировкой переменным резистором увеличивают напряжение от минимума, пока ток в цепи не превысит заданного значения, что покажет свечение индикатора "пробой" (процесс обратимый). Напряжение пробоя считывают по заранее отградуированной шкале регулятора напряжения и, исходя из его значения, судят о работоспособности компонента.

Технические характеристики
Выходное напряжение, В 6...400
Выходной ток, мА 1,25
Частота преобразования, кГц .13,7...16,1
Напряжение питания, В 4...6,8
Потребляемый ток при разомкнутом выходе:
при напряжении питания 4 (6,8) В и выходном напряжении 400 В, мА 57(45);
при напряжении питания 4 (6,8) В и выходном напряжении 6 В, мА 116(78)
Максимальный потребляемый ток пробника при замкнутом выходе — не более 370 и 205 мА при напряжении питания соответственно 4 и 6,8 В.

Пробник питается от четырех аккумуляторов или четырех гальванических элементов типоразмера R6, что повышает его мобильность и безопасность в эксплуатации, поскольку он не связан с питающей сетью 220 В.



Схема высоковольтного пробника представлена на рис. 1.
Задающий генератор повышающего преобразователя напряжения выполнен на ОУ DA2.1. Резисторы R1 и R2 создают напряжение, равное половине питающего, необходимое для работы ОУ при однополярном питании. Резисторы R4, R7 образуют цепь положительной обратной связи генератора и формируют на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 уровни напряжения, при которых происходит переключение ОУ и перезарядка конденсатора СЗ. Частота импульсов определяется элементами R6, СЗ и глубиной положительной обратной связи, определяемой отношением R7/R4, что улучшает ее стабильность, поскольку от напряжения питания она не зависит. Однако ОУ вносит погрешность, поскольку его минимальное выходное напряжение равно 0,7 В, а максимальное — (U„„T -1,2) В, что приводит к несимметричному гистерезису и, как следствие, к некоторой зависимости частоты от питающего напряжения.

Конденсатор С2 способствует плавному запуску преобразователя при включении питания. По мере его зарядки длительность импульсов на выходе генератора плавно растет, что ограничивает потребление тока в момент включения питания, поскольку конденсаторы С8, С9 выпрямителя разряжены.



Резистор R11 улучшает форму импульсов за счет увеличения тока выходного каскада ОУ.
Источник образцового напряжения выполнен на микросхеме DA1. Делитель R3R5 устанавливает на ее выходе напряжение U = (R3/R5+1 )-1,25 В, где 1,25 В — внутреннее образцовое напряжение DA1.

На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен триггер, управляющий работой ключа, собранного на элементах R16, R18, R19, VT1, VT2. Элемент DD1.3 ограничивает коэффициент заполнения импульсов преобразователя на уровне 50 %. Отрицательные полупериоды меандра, поступающие на выв. 8 DD1.3 с генератораDA2.1, не позволяют установить высокий логический уровень на выв. 4 DD1.2; это предотвращает насыщение магнитопровода трансформатора Т1 и перегрузку транзистора VT2. Компаратор DA2.2 сравнивает напряжение, поступающее с делителя R24R25R26, с образцовым напряжением +1,8 В. Как только напряжение обратной связи становится больше образцового, на выходе компаратора DA2.2 устанавливается низкий логический уровень, не позволяющий триггеру на элементах DD1.1, DD1.2 открыть транзисторы VT1, VT2. Таким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения преобразователя на уровне и вых= {[(R24+R25)/R26]+1)-1,8 В. Помимо функции деления выходного напряжения, резисторы R24, R25, R26 выравнивают напряжение на последовательно включенных конденсаторах С8, С9. Цепь VD3R20R21 — демпфирующая, ограничивает обратное напряжение на выпрямительном диоде VD4, не допуская его пробоя.



Стабилизатор напряжения с ограничением выходного тока собран на элементах DA2.3, DA2.4, VT3—VT6. Регулировку выходного напряжения осуществляет ОУ DA2.4. Напряжение обратной связи с делителя R35—R38 через фильтрующую цепь R31C11 поступает на неинвертирующий вход DA2.4. На инвертирующий вход подается напряжение с движ-ка переменного резистора R13, один вывод которого подключен к источнику образцового напряжения, а другой через резистор R15 — к токоизмерительному резистору R38. Изменения напряжения на резисторе и на неинвертирующем входе ОУ DA2.4 синфазны, поэтому выходной ток стабилизатора не влияет на регулировку выходного напряжения. Если напряжение на выв. 12 становится больше, чем на выв. 13, то ОУ DA2.4 открывает транзистор VT4. Напряжение на базе транзистора VT5 уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на выходе стабилизатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжения на выводах 12 и 13 DA2.4 не станут равными. И наоборот, если напряжение на выходе стабилизатора уменьшается, транзистор VT4 закрывается, напряжение на базе VT5 растет, что приводит к увеличению напряжения на выходе стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора определятся выражением UB„ = ([(R35+R36)/R37]+1)-UBb,B.13, где ивыв.13 —напряжение на выв. 13 ОУ DA2.4.



Ток в проверяемой цепи ограничивает ОУ DA2.3. Напряжение, снимаемое с резистора R38, сравнивается с напряжением, поступающим с делителя R12R14, и если последнее оказывается меньше, ОУ DA2.3 увеличивает базовый • ток транзистора VT4, что приводит к режиму ограничения тока. Одновременно с этим открывается транзистор VT3, включая светодиод HL2 "Пробой". Диоды VD1, VD2 "развязывают" выходы ОУ DA2.3, DA2.4 между собой. Uenb R29C10 устраняет самовозбуждение стабилизатора. Диод VD5 ограничивает бросок напряжения на резисторе R38 в момент короткого замыкания. Диод VD7 не допускает обратного смещения транзистора VT5 при проверке емкостной нагрузки и внезапного отключения питания, а цепь VD6R34 ускоряет разрядку подключенного конденсатора при уменьшении напряжения на выходе стабилизатора резистором R13.

Элементы VT6, R32, R33 дублируют токовый регулятор на ОУ DA2.3, дополнительно защищая транзистор VT5 в случае короткого замыкания и обладая большим быстродействием, чем ОУ DA2.3. Кроме того, транзистор VT6 ограничивает ток транзистора VT5 даже при отключении питания, предотвращая выход из строя транзистора VT5 и проверяемого компонента, поскольку на конденсаторах С8, С9 останется заряд.



Контроль за напряжением батареи осуществляет микросхема DA3. Напряжение с выхода делителя R8R9 поступает на ее вход, и как только оно становится меньше внутреннего образцового напряжения, равного 2,5 В, ток в цепи светодиода HL1 прекращается и он гаснет.
Регулировку устройства следует начать без трансформатора Т1, подав питающее напряжение 4 В. В первую очередь измеряют напряжение на выв. 2 стабилизатора DA1, которое должно составлять 1.80...1,82 В. Если измеренное значение меньше указанного, следует либо увеличить сопротивление резистора R3, либо уменьшить сопротивление R5, а если больше — наоборот.



Далее подбором резисторов R8, R9 на выв. 1 стабилизатора DA3 устанавливают напряжение, при котором светодиод HL1 почти не светит. Оно может составлять 2,45...2,55 В, в зависимости от параметров конкретной микросхемы и светодиода. Поскольку стабилизатор DA3 положительной обратной связью не охвачен, четкой границы переключения нет. При увеличении питающего напряжения относительно 4 В светодиод HL1 должен существенно увеличить яркость свечения, а при уменьшении — погасать.
Затем проверяют работоспособность генератора. На выводах 1 DA2.1 и 4 DD1.2 должны присутствовать прямоугольные импульсы частотой около 13,7 кГц, на выв. 7 DA2.2 — высокий логический уровень. Если скважность импульсов не равна 2, ее можно подстроить подбором резистора R11 в сторону уменьшения при скважности больше 2 или в сторону увеличения при скважности меньше 2. Далее соединяют выв. 6 компаратора DA2.2 с плюсом питающего напряжения через резистор 1 кОм.
На выводах 7 DA2.2 и 4 DD1.2 должен установиться низкий логический уровень.
После этого на плату устанавливают трансформатор Т1 и проверяют напряжение на коллекторе транзистора VT5, которое следует установить в пределах +406...412 В подбором резистора R26.
Далее регулировкой переменного резистора R13 проверяют интервалы изменения выходного напряжения, которое должно находиться в пределах от 4...8 до 400...405 В. Если транзистор VT5 имеет низкий коэффициент передачи тока базы h2l3l то максимальное выходное напряжение может быть меньше указанного предела. В этом случае необходимо уменьшить сопротивление резисторов R27, R28.
Уровень ограничения тока в проверяемом приборе не зависит от положения движка резистора R13 и находится в пределах 1,18...1,32 мА. При необходимости ток короткого замыкания можно подстроить подбором резистора R14. Чтобы проверить ограничитель тока, собранный на элементах VT6, R31, R32, один щуп миллиамперметра подключают к цепи +400 В, а другой — к общему проводу. Значение этого тока может быть в пределах 1,8...2,5 мА.

Очевидно, что точность установки напряжения зависит от размера шкалы его регулятора и тщательности градуировки; эту процедуру нужно выполнить тщательно, чтобы обеспечить погрешность оценки напряжения не более ±5 %.



Чертеж печатной платы и расположение элементов изображены на рис. 2, внешний вид платы с установленными на ней элементами показан на фото рис. 3, а размещение всех узлов устройства в корпусе — на рис. 4.

Переключатель SA1 — МТ-3, кнопка SB1 — КМ-2-1.
Конденсаторы С1, С4—С6, С11 — керамические К10-17а, С2, С7—С9 — оксидные импортного производства, СЗ — К73-9, СЮ — керамический высоковольтный К15-5 или К15-20. Емкость конденсаторов С8, С9 можно уменьшить до 4,7 мкФ, а допустимое рабочее напряжение — до 300 В.
Резисторы R26, R37 — С2-14 с допуском ±0,5 %. Вместо них можно применить резисторы типов МЛТ, С2-23, С2-33 с допуском :1 %. Сопротивления резисторов R24, R25 и R35, R36 желательно подобрать таким образом, чтобы их суммарные значения равнялись 2000 и 4400 кОм соответственно. Остальные резисторы — С2-33 или МЛТ, R13 — СПЗ-4аМ.
Стабилизаторы LM317L и TL431 можно заменить на КР142ЕН12А (либо КР142ЕН12Б) и КР142ЕН19 соответственно; цоколевка этих микросхем совпадает, хотя микросхема КР142ЕН12 имеет другой корпус. ОУ К1401УД2А можно заменить на КР1401УД2А, КР544УД7. Подойдут также LM124J, LM324N, LM2902N, но придется доработать печатный монтаж, поскольку у них иная разводка питания: выв. 4 — "+", выв. 11 — " - " . Микросхема К561ЛА7 заменяется на К1561ЛА7, К561ТЛ1, К1561ТЛ1.

Светодиоды АЛ307БМ можно заменить любыми аналогичными. Диоды КД522 могут быть с любым буквенным индексом, а КД247Е можно заменить любым диодом с максимальным обратным напряжением более 600 В и прямым током более 0,5 А. Транзистор КТ503А допустимо заменить на КТ3102 с любым буквенным индексом, а 2Т506А — на КТ506А, КТ859А. Транзистор VT2 КТ805АМ желательно подобрать с минимальным напряжением насыщения коллектор— змиттер, что благоприятно скажется на КПД преобразователя. На рис. 5 показана схема включения транзистора для измерения параметра при фиксированном токе базы.


В трансформаторе Т1 используется броневый магнитопровод БЗО из феррита 2000НМ. Первичная обмотка содержит 14 витков, намотанных проводом ЛЭШО 35x0,07, и наматывается поверх вторичной обмотки, имеющей 1600 витков, намотанных проводом ПЭВ-2 0,12 виток к витку. Все обмотки изолируют двумя слоями кабельной бумаги толщиной 0,05 мм, после чего пропитывают парафином. Между чашками трансформатора вклеена диэлектрическая прокладка из электрокартона толщиной 0,4 мм.
На рис. 6 приведены примеры схем включения некоторых полупроводниковых приборов для проверки их параметров постоянного тока: а — пробивного напряжения диода; б — напряжения стабилизации стабилитрона (при токе 1,25 мА); в — открывающего напряжения динистора; г, д — напряжения пробоя коллектор—змиттер биполярных транзисторов различной структуры при заданном сопротивлении в цепи базы; е, ж — напряжения пробоя сток—исток p и n-канальных полевых транзисторов с индуцированным каналом; з — прямого напряжения пробоя тринистора в закрытом состоянии; и — обратного напряжения пробоя.
Перед проверкой полевого транзистора следует убедиться в том, что для получения нулевого тока стока достаточно нулевого напряжения на затворе, т. е. сопротивления в цепи затвор—исток. Например, полевые транзисторы с p-n переходом для получения нулевого тока стока требуют обратного смещения на затворе, что не позволяет проверять их по схеме рис. 6,е, ж.

ЛИТЕРАТУРА
1. Яковлев В. Н. и др. Справочник по микроэлектронной импульсной технике. — К.: Техника, 19ВЗ.
2. Операционные усилители и компараторы. — М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2002.
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник /Под ред. Гололедова А. В. / . — М.: КубК-а, 1996.
4. Полупроводниковые приборы: Справочник /Галкин В. и др./. — Мн.: Беларусь, 1994.
5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984

Источник: "Журнал Радио".