Последнее обновление: 31.10.2019

Как сделать усилитель постоянного тока своими руками

Конечно, для такой цели можно приобрести соответствующий милливольтметр (или даже микровольтметр). Однако, его стоимость на дату написания статьи (2019 г.) составляет от 5 тыс. руб. (и то при условии, что если он совсем уж Алиэкспрессный). А так, мало-мальски точные приборы стоят 20, 30 тыс. руб., а то и более. Правда, они, в дополнение, зачастую имеют множество разных других функций – например, сохранение результатов, передача их на компьютер через USB-интерфейс и др. Что, впрочем, нужно не всегда. Да и, как правило, такие приборы являются достаточно объемными, занимают немало места.

Есть, конечно, недорогие мультиметры со шкалой измерения напряжений 200 мВ. Но, и они неспособны достаточно точно измерить малые напряжения в диапазоне единиц и долей милливольта.

В этой статье мы с Вами посмотрим, каким образом можно собрать самодельный простой (но, достаточно точный) усилитель постоянного напряжения.

Конечно, в самом простом случае в качестве такого усилителя может фигурировать обычный транзисторный каскад (один или несколько). Но, там придется выполнять стабилизацию (чтобы параметры усилителя не изменялись в зависимости от температуры), защиту от короткого замыкания и т.п. Поэтому, конечно, не все так просто.

Вот схема, основанная на операционных усилителях (из книги Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение.- М.: Радио и связь, 1989.-120с.):

Эта схема – достаточно стабилизированная, путем отрицательной обратной связи. Впрочем, прецизионной ее назвать, все-таки, нельзя. Так как сами по себе операционные усилители К140УД7 не являются прецизионными (в отличие от К140УД13). Поэтому, если требуется высокая точность усилителя, нужно заменить К140УД7 на что-нибудь более точное. Так можно выполнить уже вполне профессиональный прибор.

Основываясь на ней, выполнена схема усилителя напряжения (в виде готовой печатной платы):

Для наглядности, схема выполнена на двух печатных платах одинакового размера.

На первой (выше по схеме) реализован, собственно, усилитель, а также защиту выходного каскада ОУ D3 (на всякий случай). Вторая плата содержит вспомогательные схемы, как то:

• Стабилизаторы напряжения питания на 15В,
• Светодиодная индикация наличия напряжения питания,
• Защита входного каскада ОУ D1,
• Кнопка проверки питания,
• Выключатель питания.

Несущая частота операционного усилителя D1 выбирается равной 1 кГц, что достигается при С₁ = 1000 пФ. Полоса пропускания D1 не превышает 50... 100 Гц, коэффициент усиления равен 7, а₀=0,5 мкВ/°С, а максимальное выходное напряжение примерно равно ±0,5 В.

Для повышения коэффициента усиления и выходного напряжения с тем же значением уровня дрейфа, т.е. температурного коэффициента a₀ к ОУ К140УД13 добавлены два обычных ОУ - типа К140УД7 (D2, D3).

Оба этих ОУ способствуют увеличению коэффициента усиления, а третий по схеме, кроме того,  позволяет  получить амплитуду  выходного  напряжения около 12 В. Из-за общей ОС коэффициент усиления K_F= R2/R1 не превышает нескольких сотен или тысяч (об этом – см. ниже).

Конденсаторы С2 и СЗ являются разделительными, а С4 обеспечивает сглаживание пульсаций преобразованного напряжения, т.е. относится к ФНЧ.

К выводам 1 и 5 усилителей D2 и D3 присоединены потенциометры балансировки нуля R6, R7, на движки которых подается напряжение U_п = -15 В.

Судя по фактическим параметрам схемы, коэффициент усиления напряжения получился равным K_F = 107*10³/900 = 119. Если требуется иное значение коэффициента усиления, его можно получить, подбирая значения резисторов R1 и R2. Есть рекомендации, согласно которым R2 целесообразно выбирать не выше 100…150…200 кОм, а R1 – не ниже 200…400 Ом. Таким образом, максимальное значение коэффициента усиления предлагаемой схемы может составить, ориентировочно, 200*10³/200 = 1000. Правда, чем ниже R1, тем ниже будет экономичность усилителя, что является актуальным в случае питания его от комплекта батареек (типа «Крона»).

Описание работы схемы усилителя

Кого это не интересует, могут сразу посмотреть его внешний вид. Начнем по порядку.

Стабилитроны VD1, VD2 предназначены для ограничения напряжения, поступающего на вход операционного усилителя D1 до 2,7В. Впрочем, их напряжение стабилизации не является критичным, так как они включены встречно друг к другу. При таком включении максимальный уровень напряжения на входе 3 операционного усилителя К140УД13 составит не более, чем доли вольта (примерно до 0,5 В – что ниже, чем максимально допустимое входное напряжение К140УД13). Т.е., по сути, в данном случае стабилитроны работают в качестве обычных диодов.

Защита входного каскада усилителя К140УД13

Резистор R14 служит для защиты входного каскада ОУ D1. Например, если сигнал датчика, подключенного к нему, резко превысит свое значение. Или если по ошибке туда будет подключен источник ЭДС или др. Проведем расчет максимального напряжения, при котором еще не произойдет повреждение К140УД13.

Повреждение произойдет, если в свою очередь, повредятся стабилитроны VD1, VD2. Они рассчитаны на максимальный ток, равный 200 мА. Следовательно, максимально допустимое напряжение на резисторе R14 составит 200*10^-3*1*10³ = 200 В.

Конечно, вполне можно довести максимально допустимое напряжение до 500…600 В, как это делается во многих современных мультиметрах. Например, установив R14 равным 3 кОм.

Ограничитель помех

В качестве ограничителя помех выступает резистор R15. Опытным путем подобрано его значение, равное 22 кОм. Да, его присутствие резко снижает входное сопротивление усилителя. Но, как показала практика, зато усилитель делается практически нечувствительным к разного рода помехам, наводимым «из воздуха». Без R15 усилитель может выдавать ненулевое напряжение, даже если просто коснуться рукой одного из его входных клемм. Поэтому – необходим компромисс – в зависимости от того, насколько критичным является высокое значение входного сопротивления. Если это критично, тогда R15 придется исключить из схемы; но, при этом следует подавать сигнал на вход усилителя через специальный защитный экранированный кабель (например, коаксиальный). При этом обычные клеммы уже не подойдут, потребуются специальные разъемы.

Защита выхода усилителя

Или защита выхода последнего по схеме операционного усилителя – D3. Опять-таки, ее можно не делать, но, как говорится, а вдруг. А вдруг кто-то подаст напряжение на выход… хотя бы по неосторожности. Поэтому предусмотрен делитель напряжения на резисторах R16, R17 и стабилитроны VD9, VD10, рассчитанные на максимальный ток 0,5А.

Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на выход D3, составляет, ориентировочно, 0,5*3*10³ = 1500В.

Резистор R16 предусмотрен, строго говоря, на всякий случай, если по каким-то причинам напряжение на выходе D3 превысит 12В – с целью защиты стабилитронов VD9, VD10. Кроме того, этот резистор дополнительно защищает D3 от короткого замыкания на выходе.

Примечание: на самом деле, D3 (К140УД7) содержит в себе защиту от короткого замыкания, поэтому наличие R16 в данном случае – дополнительная мера предосторожности.

Источник опорного питания -15В

Этот источник собран на микросхеме L7915CV (аналог соответствующей КРЕН на -15В). На вход ее подается -18В (взятое от двух последовательно соединенных батареек типа «Крона», на схеме не показаны). Напряжение -15В подается на питание усилителей D1…D3, а также на схему индикации питания (R10, R11, VD4). Если замкнута цепь двухпозиционного выключателя (замыкающего сразу две цепи) «Вкл.-», то при замыкании контактов Кн.2 двухпозиционной кнопки (которая нажатии замыкает сразу две цепи), на R10, R11, VD4 подается напряжение -15В. При этом номиналы R10, R11 подобраны такими, чтобы они светились минимально, даже менее, чем в полнакала. При этом, как только это напряжение по модулю снизится до 13,5…14,5В, светодиод VD4 погаснет. Т.е. светиться он будет, в данном случае, только если отрицательное напряжение равно -15В или около этого. То же самое относится и к цепи R8, R9, VD3.

Источник опорного питания +15В

Он собран на элементе КР142ЕН8Е. Индикация того, что он выдает напряжение не ниже +15В, выполняется цепью R8, R9, VD3 (при замкнутой цепи «Кн.1», т.е. при нажатой кнопке, естественно).

Таким образом, для проверки наличия напряжений -15В, +15В необходимо будет нажать кнопку и убедиться, что оба светодиода загорелись. Если так постоянно делать не хочется, то можно в схеме замкнуть накоротко выводы с «Кн.1», «Кн.2». При этом светодиоды будут загораться (при наличии требуемых напряжений) сразу после включения выключателя «Вкл.1, Вкл.2». Но, повторимся, это приведет к дополнительному расходу энергии, т.е. снизит экономичность усилителя.

Вход и защита входа усилителя

Вход находится там, где присутствует провод «К датчику». Второй вывод датчика подсоединяется к массе. Защиту входа образуют элементы R12, R13, VD5…VD8. Это – дополнительная цепь защиты входа операционного усилителя К140УД13. Так как стабилитроны VD5…VD8 рассчитаны на максимальное напряжение 3,6В, их максимальный ток равен 100 мА, получаем, что максимальное напряжение на проводе «К датчику» может составлять, ориентировочно,

100*10^-3*1*10³ = 100В.

Внешний вид усилителя

Для усилителя был куплен соответствующий корпус (благо, в настоящее время с этим проблем нет – выпускаются корпуса самых разных размеров). Вот как выглядит собранный усилитель:

А вот так – снаружи, где вход:

Как видно, вверху слева имеется выключатель, под ним – та самая кнопка, которая при нажатии вызывает индикацию напряжений питания +/-15В (будут светиться светодиоды), если они не слишком ниже по абсолютной величине.

К клеммам можно подключать какой-нибудь датчик (например, термопару) или иной источник малой величины ЭДС, которую следует измерить.

Выходные клеммы находятся на задней стенке усилителя. К ним следует подключить обычный мультиметр, со шкалой на 2 В. При этом погрешность измерения такого мультиметра должна составлять, уж по крайней мере, не выше 5%. Это обеспечит возможность измерения ЭДС датчика от 1 мВ и даже ниже. А если мультиметр имеет шкалу в диапазоне до 200 мВ, то тогда усилитель даст возможность измерения постоянных напряжений уже в районе микровольт.

Где может быть полезен разработанный усилитель?

Например, при точном измерении:

• Температуры,
• СВЧ-излучения,
• Давления,
• И т.д.

Ранее мы приводили схему измерителя СВЧ-излучения (кстати, там же Вы можете почитать о влиянии СВЧ на живые организмы и др.). Однако, она имела недостатки:

• Низкую экономичность,
• Невысокую чувствительность,
• Отсутствие индикации заряда батарей,
• Возможность нестабильной работы и невозможность зафиксировать факт нестабильности (что обусловлено как раз отсутствием индикации заряда).

В предлагаемой выше конструкции эти недостатки во многом устранены. Схема работала вполне корректно даже при таком напряжении батарей питания, когда индикаторные светодиоды еле-еле светились.

Бюджет конструкции

Стоимость деталей для конструкции, если руководствоваться розничными ценами в уфимских магазинах на середину 2019 г., составила где-то 3 тыс. руб. Конечно, если заказывать детали на том же Алиэкспресс, она будет ниже в разы. По-видимому, можно будет уложиться в 1000 руб.