При разработке и макетировании аналоговых устройств — микрофонных усилителей, преампов, темброблоков и фильтров на операционных усилителях — главная проблема всегда упирается в источник питания.
Операционникам чаще всего нужно двухполярное напряжение (например, ±12 В или ±15 В). Питать такие схемы от дешевых импульсных блоков напрямую — плохая затея: высокочастотные пульсации на частотах переключения ключей неизбежно пролезают в полезный сигнал. Линейные лабораторники громоздки и привязаны к розетке.
В этом проекте мы собрали компактную автономную приставку к обычному повербанку (5 В USB Type-C), выдающую чистое регулируемое двухполярное напряжение с минимальным уровнем шума.
Архитектура устройства
Схема состоит из трех основных функциональных узлов:
- Повышающий DC/DC-преобразователь — преобразует 5 В от повербанка в постоянное напряжение до 30–35 В.
- Двухступенчатый LC-фильтр — срезает высокочастотные импульсные помехи и гармоники импульсника.
- Активный сплиттер (виртуальная земля) — делит напряжение пополам, создавая стабильную среднюю точку даже под нагрузкой.
Компоненты и схема
1. Повышающий преобразователь (Step-Up)
Использован готовый компактный модуль на популярном чипе XL6009.
- Входное напряжение: от 3 до 32 В.
- Выходной диапазон: от 5 до 35 В.
- Для удобства штатный подстроечник выпаян, а контакты выведены на внешний потенциометр на передней панели корпуса.
Для регулировки выходного напряжения на плате преобразователя есть многооборотный подстроечный резистор. Я выпаял этот подстроечный резистор и заменил его внешним потенциометром такого же номинала. Потенциометр я установил на корпусе устройства чтобы можно было оперативно регулировать выходное напряжения.
2. Фильтрация пульсаций
Обычные электролитические конденсаторы плохо справляются с высокими частотами из-за собственной паразитной индуктивности (рулонная конструкция из фольги). Поэтому в схеме применена комбинированная фильтрация:
- Первое звено: токоограничивающий резистор R1 (1 Ом) + керамический конденсатор C1.
- Второе звено: дроссель L1 (~5 мГн на ферритовом кольце) + связка из электролитического конденсатора большой емкости и параллельно включенной керамики.
3. Формирование виртуальной земли
Простой резистивный делитель не держит среднюю точку при асимметричной нагрузке по плечам. Для стабилизации используется активная схема:
- Делитель напряжения на постоянном и подстроечном резисторах задает половину общего напряжения. Точка делителя дополнительно зашунтирована керамикой и электролитом.
- Операционный усилитель (в прототипе установлен NE5532 на панельке, также отлично подойдет LM358) включен как повторитель напряжения.
- Эмиттерный повторитель на комплементарной паре транзисторов средней мощности BD139 / BD140 (отечественные аналоги – КТ815 / КТ814) усиливает выходной ток виртуальной земли.
- Глубокая отрицательная обратная связь (ООС) через резистор 1 кОм заведена с выхода эмиттеров на инвертирующий вход ОУ. Благодаря этому средняя точка жестко удерживается строго посередине при любых просадках или регулировках общего напряжения.
Корпус и механика на 3D-принтере
Корпус устройства спроектирован в FreeCAD и напечатан из прозрачного PETG-пластика:
- Модели плат и разъемов были заранее внесены в проект сборки для точной подгонки посадочных мест.
- Крышка закрывается на защелках за счет трения — без лишних винтов.
- Выходные винтовые клеммы под винты и гайки М4 также полностью смоделированы и напечатаны на принтере (рукоятки с накаткой и шестигранным пазом под гайку), после чего покрашены акриловой краской для цветовой маркировки (+, GND, -).
Результаты тестов и замеры осциллографом
ля оценки эффективности фильтра подключили осциллограф с чувствительностью 10 мВ/деление:
- На выходе модуля XL6009: амплитуда пульсаций достигает порядка 100 мВ на частоте переключения ~180 кГц с выраженными игольчатыми гармониками.
- На выходе после фильтра: пульсации практически исчезают и падают ниже отметки 10 мВ (на экране осциллографа видна чистая ровная линия).
- Под нагрузкой: при подключении эквивалента нагрузки 100 Ом уровень пульсаций не возрастает, а средняя точка сохраняет симметрию (например, стабильные +12 В и -12 В относительно земли).
Итог
Получился удобный, бесшумный и автономный источник двухполярного питания для радиолюбительского стола, позволяющий быстро тестировать схемы на ОУ без возни с сетевыми проводами и тяжелыми трансформаторами.
Посмотреть видео про создание этого устройства
Скачать 3D модели корпуса устройства
Ссылки на некоторые компоненты:
Модуль Dc-Dc XL6009 DcDc
Транзисторы
USB TypeC гнездо