Umělý střed pro laboratorní zdroje

Při práci s analogovou technikou, typicky operačními zesilovači, jsme nejednou postaveni před nutnost použití symetrického laboratorního zdroje. Nejsnadnějším řešením je použít dva laboratorní zdroje řazené v serii, bohužel toto řešení má určité nevýhody a to i přesto, že použijeme laboratorní zdroj, který umí výstupním napětím sledovat napětí druhého ze zdrojů. Navíc musíme takový zdroj/zdroje mít. Osobně jsem dlouho používala zdroj AUL210, který takovou funkcionalitou nedisponoval, což znamenalo, že přechod do režimu CC způsobený přetížením jedné ze stran zdroje způsobil vysunutí nuly ze středu, což neslo další následky. Protože se jedná o obvyklý problém, navíc mnozí nemají dva laboratorní zdroje, rozhodla jsem pro konstrukci přípravku, který vytvoří umělý střed. Tímto způsobem lze vytvořit umělý střed prakticky u libovolného laboratorního (či jiného) zdroje.

Omezení konstrukce

Patrně největším omezením je omezení výkonové. Je třeba si uvědomit, že přivedeme-li na přípravek řekněme 30V (což je současně limit mnou navrženého přípravku), dostaneme na výstupu sice ±15V, ovšem pokud jednu stranu přípravku zatížíme proudem například 1A a druhou nezatížíme vůbec, musíme někde v přípravku pálit výkon 15W, což je vzhledem k použitým součástkám zcela nereálné. Ztrátový výkon je nutno omezit na řekněme nízké jednotky W, řekněme 1-2W, záleží jak velký použijete chladič, z toho se následně odvíjí i velikost skříňky atd. Nicméně v reálném světě je toto menší problém než se na první pohled zdá. Totiž prakticky všechny konstrukce používající symetrické napájení mají většinu příkonu mezi kladnou a zápornou větví, střed (který je současně typicky i zemí) používají toliko coby referenci, čili samotným středem teče proud přinejhorším v desítkách mA, většinou ani to ne, což je bezproblémově zvládnutelné i v případě ±15V. Nemá tedy smysl si s tím příliš lámat hlavu. Jistě, nějaký proud to dát musí, pokud někdo vhodně použije nějakou LED proti středu či nějakou podobnou věc, umělý střed musí být schopen dodat nějaký proud, nicméně ve většině případů to nebude nikterak mnoho. Jsou to sice hrátky s účelem toho zařízení, což nemusí vždy vyjít, vyžaduje to řekněme určitou opatrnost, avšak aniž by to představovalo zásadnější problém.

Zapojení

Samo zapojení není nikterak komplikované, tvoří jej stejnosměrně vázaný (R3) koncový stupeň (Q1, Q2) ve třídě B napěťově řízený operačním zesilovačem U1. Střed je z napájecího napětí vytvářen odporovým děličem R1, R2 s možností dostavení pomocí RV1, který řídí výše zmíněný proudový zesilovač. Na pozici U1 byl zvolen operační zesilovač OP07, který se vyznačuje nízkým ofsetem (laserově trimován v procesu výroby) a nízkým vlastním šumem. Není nikterak levný (cca 1.5€), nicméně jeho cena není tragická a dostupnost je bezproblémová. Jeho výstup je dále posílen dvojící tranzistorů Q1, Q2 na jejichž místech byly zvoleny BD139-16 a BD140-16 především kvůli jejich snadné dostupnosti a nízké ceně. Jejich proudové zesílení je vzhledem k proudové zatížitelnost operačního zesilovače dostatečné a s odpovídajícím chlazením pro ně ztrátový vykon 15W nepředstavuje problém. A ano, operační zesilovač je skutečně schopen dostat je do stavu, kdy přes ně ten 1A opravdu teče. Já  jsem se ale rozhodla nepoužívat až tak velké proudy/ztrátové výkony, tudíž jsem instalovala menší chladiče díky čemuž jsem dokázala konstrukci vměstnat do krabičky KH-9.

Mechanická konstrukce

Rozhodla jsem se použít krabičku KH-9, což je docela výzva, neb je opravdu malá. Mechanická konstrukce je víceméně zřejmá z fotografií. Pouze dodávám, že chladiče jsou na zadní stěně přilepeny dvousložkovým epoxidem. Před jejich přilepením jsem provrtala zadní panel dvěma otvory ø18mm, čímž se zpřístupní střední část chladiče pro přimontování tranzistorů Q1 a Q2, které je třeba montovat na chladiče izolovaně. Použité chladiče sice nejsou spojeny, avšak přítomnost napájecího napětí na chladičích by mohla způsobit problémy při náhodném dotyku chladiče s DUT. Použila jsem běžné slídové podložky, protože jsem je prostě měla, superkeramika nebo korund by byly lepším řešením. Pro výstup/vstup jsem se rozhodla použít zdířky pro měřicí přístroje. V tomto případě sice krytí banánků nedává větší smysl, nicméně tyto zdířky jsou levné, snadno dostupné a kvalitní. Jejich nevýhodou je jejich rozměrnost, nicméně vešly se. Pro alternativní připojení laboratorního zdroje je ve schematu nakreslena RCA zásuvka. Já se na poslední chvíli rozhodla použít 2.1mm DC barel, nicméně podruhé bych to neudělala — jsou to opravdu příšerné konektory. Indikační LED se ukázala býti problémem. Především, použijte červenou, protože na té je nejmenší úbytek (z LED vyzařujících světlo ve viditelné části spektra). Zařízení pracuje od 3V napájení, tedy ±1.5V, no a 1.5V pro LED opravdu není mnoho. Na druhou stranu musí ustát i 15V.

Závěr

Jedná se o jednoduchý přípravek, který sice přináší určitá omezení, avšak nikterak zásadní, jinými slovy, dá se s tím žít. Dokáže pracovat v rozsahu ±1.5V (OZ je mimo datasheetové parametry, avšak funguje) až ±15V, což pokrývá většinu požadavků. Jedná  se o jednoduchou konstrukci postavitelnou „za odpoledne“, která dokáže ušetřit nějaké ty problémy.