Транзисторные устройства могут работать при разных значениях напряжения питания - от одного вольта до нескольких вольт. Максимальное значение этого напряжения U_{п max} определяется на основе приводимых в каталогах данных о максимальном допустимом постоянном напряжении коллектор - эмиттер и коллектор - база: U_{к-э max} и U_{к-б max}.

Напряжение питания микросхем ТТЛ U_п = 5 В+-5%, т. е. следует обеспечивать U_п от 4,75 В до 5,25 В. Не рекомендуется применять напряжение питания ниже 4,75 В (хотя некоторые интегральные микросхемы ТТЛ с ЛЭ И-НЕ сохраняют работоспособность и при напряжении 4,0...4,5 В), чтобы не ухудшить эксплуатационные параметры, в частности быстродействие микросхемы. Это особенно важно для формирующих и генераторных схем. Напряжение питания не должно также превышать 5,5 В, так как существует опасность пробоя между эмиттерами у многоэмиттерного транзистора на входе интегральной микросхемы.

Интегральные микросхемы КМОП работают в широких пределах напряжения питания - от 3 до 15 В. Выводы Uп микросхем соединяют с положительной клеммой источника питания; отрицательные клеммы служат общим выводом и соединяются обычно с корпусом.

Источник питания должен обеспечивать помимо напряжения и необходимый ток потребления - ток нагрузки. Для транзисторных схем этот ток определяется как типом транзисторов, так и конкретной схемой реализации и параметрами пассивных компонентов. Для устройств, выполненных на микросхемах ТТЛ и КМОП, ток нагрузки определяется типом и числом используемых микросхем и является суммой токов потребления всех микросхем (этот параметр приводится в справочниках). Для микросхем КМОП ток потребления существенно возрастает с повышением частоты переключения. До начала разработки источника питания радиолюбителям рекомендуется определить ток в нагрузке с помощью выпрямителя. Следует также учитывать, что с повышением температуры ток потребления возрастает.

Источником питания может быть выпрямитель самодельный или промышленного производства. Для питания микросхем КМОП применяют батареи и аккумуляторы, так как потребляемая мощность у этих микросхем в статическом состоянии во много раз меньше сравнительно с изделиями ТТЛ.

На практике чаще всего работают с выпрямителями промышленного изготовления, которые обычно снабжены стрелочными приборами для измерения напряжения и тока, потребляемого нагрузкой. В табл. 1 и 2 приведены основные параметры некоторых типов выпрямительных устройств.

Примечание. 1. Выходные цепи защищены от перегрузок и коротких замыканий. 2. Приборы стабилизированы по напряжению, а типа Б5-43, Б5-46 - и по току.

Примечание. В приборах имеется потенциометр для подстройки выходного напряжения в пределах 4...7 В.

Помимо заводских выпрямителей со стабилизированным выходным напряжением в качестве источника питания читатель может применять и более простой прибор собственной конструкции, состоящий из силового трансформатора, выпрямителя и стабилизатора напряжения.

В зависимости от напряжения и тока во вторичной обмотке можно подобрать трансформатор с сердечником из Ш-образных пластин стандартного размера (рис. 1) с помощью табл. 3, где I₂ - ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора (ток нагрузки); U₂ - напряжение, на вторичной обмотке; d₁ и d₂ - диаметр провода первичной и вторичной обмотки; w₁ и w₂ - число витков первичной и вторичной обмотки; I_хb - площадь поперечного сечения сердечника.

Для выпрямления обычно используют однофазный мостовой выпрямитель, так называемую схему Греца (рис. 2). Выпрямительные диоды также выбирают в зависимости от тока в нагрузке. Данные о некоторых подходящих типах диодов приведены в табл. 4 и 5. Когда выпрямленный ток близок к максимально допустимому, диоды следует крепить на радиаторах. В цепь первичной обмотки включают предохранители и (желательно) индикаторную неоновую лампу, как показано на рис. 3.

Ниже описываются схемы нескольких простых в изготовлении источников питания.

Примечание. Все диоды выдерживают напряжение, требуемое для питания микросхем.

Применение стабилизаторов напряжения - интегральных микросхем - значительно облегчает реализацию источников питания. На рис. 3 показана простейшая и наиболее часто используемая схема выпрямителя, который обеспечивает фиксированное значение питающего напряжения при токе нагрузки до 1,5 А. Выходной ток можно повысить, если стабилизатор укрепить на охлаждающем радиаторе. Площадь поверхности радиатора должна быть пропорциональна потребляемому току. В стабилизаторе-микросхеме предусмотрена защита выходного транзистора от перегрузки. Третий вывод (общий) интегральной микросхемы связан с металлическим корпусом. Конденсаторы С1 и С2 применять необязательно. Конденсатор С1 необходим, если фильтр нагрузки и стабилизатор пространственно разнесены. Конденсатор С2 служит для улучшения переходной характеристики стабилизатора.

На рис. 4 изображена схема стабилизатора напряжения на основе интегральной микросхемы типа 723 (отечественный аналог - КР142ЕН1А). Он допускает плавное регулирование выходного напряжения в пределах от 2 до 24 В потенциометром R3. Максимальный выходной ток 1 А.

Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме Дарлингтона. Применять ее необязательно, но при таком включении легко обеспечивается высокий коэффициент передачи тока у транзистора VT2, а также нет необходимости контролировать выходной ток микросхемы, который не должен превышать 0,15 А. Транзистор VT2 монтируется на радиаторе, а резистор R₀ (сопротивлением примерно 0,6 Ом) - проволочный, изготовляется вручную. Этот резистор обеспечивает срабатывание защиты, когда выходной ток достигает примерно 1,1 А.

Большинство схем на цифровых микросхемах ТТЛ питается напряжением +5 В, и здесь специально рассмотрены источники питания именно на это напряжение. Сказанное можно распространить и на другие значения питающего напряжения.

Если читатель не располагает микросхемой 142ЕН5А, источник питания можно изготовить по схеме со стабилизатором напряжения +5 В, выполненным на распространенных транзисторах (рис. 5).

Действие стабилизатора основано на том, что U_вых=U_вх-U_к-э1

Падение напряжения U_к-э1 на транзисторе VT1 определяется разностью между опорным напряжением на стабилитроне VD1 (и эмиттере транзистора VT3) и напряжением (U_вых*R5)/(R3+R5) на базе транзистора VT3. Эта разность напряжений, усиленная транзистором VT3, управляет базовым током транзистора VT2. При изменении напряжения U_вх изменяется и U_к-э1 - таким образом, что напряжение U_вых постоянно.

Транзисторы VT2 и VT1 включены как составной транзистор (схема Дарлингтона). Такое включение обеспечивает высокий коэффициент передачи тока h21э, а следовательно, компенсацию колебаний тока нагрузки. Повышая значения h21э, можно получить и больший выходной ток, а также пропорционально увеличить и сопротивление резистора R1, благодаря чему уменьшится воздействие нестабильного входного напряжения на стабилитрон VD1. В результате улучшается стабилизация выходного напряжения.

Для стабилизатора, собранного по схеме на рис. 5, h21э=2000, максимальный выходной ток - около 2 А. Если исключить мощный транзистор VT1, не меняя остальных компонентов, стабилизатор будет обеспечивать выходной ток до 250 мА; транзистор VT2 при этом надо поставить на радиатор. В таком случае, конечно, трансформатор и выпрямитель выбираются меньшей мощности.

Основной недостаток рассмотренного стабилизатора - опасность повреждения мощного регулирующего транзистора при перегрузке или коротком замыкании на выходе. Этот транзистор обязательно надо крепить на радиаторе, имеющем тепловой контакт с шасси стабилизатора. Так как у мощных транзисторов коллектор электрически соединен с корпусом, прибор необходимо электрически изолировать от радиатора, применив, например, тонкую слюдяную пластинку. Для улучшения теплового контакта обе стороны пластинки предварительно смазывают силиконовой пастой.

До подключения исследуемого устройства к источнику питания следует проверить подаваемое напряжение. Недопустимы ошибки с полярностью, т. е. соединение выхода +Un источника питания с общей шиной потребителя, а общей шины источника - с шиной +Un потребителя.

Часто, если существует опасность превышения питающего напряжения, применяется способ защиты со стабилитроном (рис. 6). Когда напряжение питания превысит напряжение стабилизации стабилитрона, последний откроется, чем вызовет перегорание предохранителей источника питания.

Здесь рассматривается снижение напряжения до 5 В, так как требования к напряжению питания микросхем ТТЛ наиболее строги. Для схемы на рис. 7, а действительны следующие зависимости:
U₁>5В; U₂=U_ст=5В; R=(U₁-U_ст)/(I_ст+I_н),
где I_ст - ток через стабилитрон; I_н - ток нагрузки.

В табл. 6 приведены характеристики наиболее распространенных стабилитронов.

Часто применяется и схема, приведенная на рис. 7, б. Дополнительный германиевый диод VD2 включен в прямом направлении. Выбирается он из условия пропускания тока I_ст. Если применен стабилитрон типа КС147, то
U₂=U_ст+U_VD2=4,7+0,3=5В

Дополнительный диод повышает температурную стабильность, что является важным достоинством схемы. При температурных колебаниях напряжения U_ст и U_VD2 изменяются с различными знаками, так как температурный коэффициент стабилитрона положителен, а германиевого диода - отрицателен. В схеме на рис. 7, б могут быть использованы диоды Д7А, Д7Б, Д7В, Д7Г, Д310, Д311, Д18, Д9А, Д9Б, Д9В, Д9Г.

Схемы, приведенные на рис. 7, необходимы, когда источником питания служит батарея или аккумулятор, так как гальванические элементы или аккумуляторы на 5 В не производятся. Логические элементы ТТЛ потребляют значительно больший ток по сравнению с элементами других видов логики (например, МОП, КМОП). По этой причине для их питания батареи или аккумуляторы применяют редко - лишь тогда, когда устройство-потребитель содержит одну-две интегральные схемы и нуждается в небольшом токе (20...30 мА), а оператор не располагает другим источником питания. Однако, в составе семейства микросхем ТТЛ есть, например, отечественные микросхемы серии 134 (К134, КР134), К158, а также маломощные ТТЛШ-серии К555, которые потребляют в 5...10 раз меньшую мощность, чем рассматриваемые микросхемы универсальной (стандартной) серии K155.

Из батарей широкого применения для этой цели наиболее подходят плоские - типа 3R12 на 4,5 В (отечественные батареи-аналоги - тип 3336), имеющие сравнительно большую емкость. Емкость батареи и аккумулятора является важным электрическим параметром, характеризующим электрический ток, который батарея может давать в течение определенного времени. Батареи 3R12 могут работать 100 ч (по 4 ч в день) на нагрузку 225 Ом, т. е. давать в начале разряда ток около 20 мА, и допускать разряд до предельного напряжения 2,7 В. Сохранность - 6 мес.

Чтобы получить напряжение U_n=5 В, нужное для питания микросхем ТТЛ, необходимы две батареи 3R12. Их соединяют последовательно (плюс одной с минусом другой), при этом получается 9 В. Когда используются схемы, приведенные на рис. 7, то при хорошо подобранном стабилитроне и правильно рассчитанном сопротивлении резистора на выходе будет U₂=5 В. Важно помнить, что напряжение U₁ не стабильно, а постепенно и медленно убывает. Поэтому ясно, что для обеспечения в течение длительного времени нужного тока сопротивление R необходимо уменьшать по мере снижения напряжения U₁. На рис. 8 приведена схема питания устройств ТТЛ от батарей. Если I_н=15 мА, а I_ст=10 мА, то согласно формуле для вычисления сопротивления начальное значение R должно быть около 160 Ом. При расчете сопротивления следует принимать ток через стабилитрон I_ст>I_{ст min}. Для правильного подбора сопротивления требуется периодически контролировать U₁ или I_ст. Если этого не делать, стабилитрон может выйти из режима стабилизации (ток I_ст станет меньше I_{ст min}) и напряжение U₂ превысит 5,5 В. Этого нельзя допускать во избежание пробоя.

Можно воспользоваться и автомобильным аккумулятором. Здесь снова подходят схемы, приведенные на рис. 7. Поскольку такой аккумулятор имеет большую емкость, обусловленную его назначением, - от 40 до 100 Ач (ампер-часов), от него можно питать и более сложные устройства. Но и в этом случае необходим контроль за напряжением U₁ или током I_ст. Особенно важно проверить, выдержит ли стабилитрон ток I_ст+I_н, который протекает через него при отключении устройства на микросхемах ТТЛ.

До сих пор говорилось о питании от батарей только микросхем ТТЛ. В сущности, питание от батарей больше подходит для микросхем КМОП, поскольку в статическом состоянии они потребляют ничтожную мощность, а изменение в широких пределах напряжения питания не влияет на работоспособность. Обычно устройства с микросхемами КМОП питаются от батарей напрямую. Этот же принцип используется для питания транзисторных схем.

Контроль напряжений и токов легче всего производить посредством комбинированных измерительных приборов. Специалисты часто пользуются цифровыми приборами, любителю достаточно иметь прибор со стрелочным отсчетом.

Схема визуального контроля напряжения питания микросхем ТТЛ (рис. 9) может быть применена, если отсутствует подходящий измерительной прибор. Когда U_n>5,25 В, на движке потенциометра R1 напряжение высокого, а на выходе логического элемента DD1 - низкого уровня. В этом случае светится только светоизлучающий диод HL1. Когда U_n<4,75 B, на движке потенциометра R2 напряжение низкого уровня, на выходе элемента DD3 - также низкого уровня и светится только диод HL3. Если U_п находится в пределах от 4,75 В до 5,25 В, на обоих входах элемента DD2 действует напряжение высокого, а на выходе - низкого уровня, поэтому светится только диод HL2. Настройка производится потенциометрами R1 и R2 при поочередной подаче на шину питания предельных значений питающего напряжения. Недостаток этого устройства - сравнительно большая потребляемая мощность, поэтому оно не годится для контроля напряжения при батарейном питании.