Отличительная особенность предлагаемого здесь устройства — экономичность и возможность построения на его основе преобразователей напряжения на различную выходную мощность. Экономичность преобразователя напряжения обусловлена применением в задающем генераторе микросхемы КМОП, так что основные потери связаны только с базовыми токами транзисторных ключей. Принципиальная схема преобразователя напряжения с независимым возбуждением приведена на рис.1.
Рис.1.
Задающий генератор на частоту колебаний 100 кГц собран на элементах DD1.1, DD1.2. Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют счетный триггер, понижающий частоту генератора до 50 кГц и формирующий импульсы вида меандр. Сигналы с выхода триггера управляют транзисторными ключами VT1, VT2, включенными в плечи первичной обмотки трансформатора Т1.
Особенность работы счетного триггера состоит в том, что в момент переключения элементов на обоих его выходах возникают сигналы низкого уровня (длительность паузы составляет 0,25 мкс), что исключает одновременное нахождение транзисторов VT1, VT2 в открытом состоянии и повышает экономичность и надежность преобразователя. Длительность паузы напрямую зависит от емкости конденсаторов С2, С3 и, при необходимости, может быть изменена соответствующим их подбором.
При напряжении источника питания Uпит в пределах 5...10В микросхема DD1 питается непосредственно от него. Если напряжение превышает 10В, питать микросхему следует через гасящий RC-фильтр.
Токи базовых цепей транзисторов до 1 мА ограничиваются резисторами R6, R7 и не могут быть существенно увеличены, так как это может сказаться на работе триггера. Таким образом, ограниченными оказываются и токи коллекторов, что, с одной стороны, определяет максимальную выходную мощность преобразователя, а с другой — обеспечивает ему некоторую защиту от короткого замыкания в нагрузке.
Если необходимо повысить мощность преобразователя, его транзисторные ключи целесообразно выполнить по схеме, приведенной на рис.2. В этом случае максимальный ток в первичной обмотке трансформатора можно оценить, как:
II = h21Э VT3 (Uпит - 1,4)/R8 и выбрать резистор R8 соответствующего номинала.
Рис.2.
Транзисторы, используемые в преобразователе, должны быть с возможно малыми значениями напряжения насыщения UКЭнас, а также наиболее подходящими по максимально допустимым току IKmax и напряжению UКЭmах. Микросхему К176ЛЕ5 можно заменить на К561ЛЕ5, что позволит расширить пределы изменения питающего напряжения от 3 до 15В.
Трансформатор преобразователя рассчитывают по обычной методике [1]. Для упрощения этого процесса можно воспользоваться данными, приведенными в таблице 1.
Таблица 1.
|
Типоразмер магнитопровода |
Рг, Вт |
w', вит./В |
Uк |
j, А/мм |
|
К5хЗх1,5 |
0,3 |
22 |
0,10 |
14,0 |
|
К7х4х2 |
1.3 |
11 |
0,085 |
17,5 |
|
К10x6x2 |
3,5 |
8,0 |
0,060 |
13,0 |
|
К 10x6x3 |
5,5 |
6,3 |
0,045 |
13,0 |
|
К10x6x4,5 |
7,5 |
3,6 |
0,030 |
11,0 |
|
К12x5x5,5 |
10,0 |
1,7 |
0,015 |
10,0 |
|
К16x10x4,5 |
28,0 |
2,4 |
0,012 |
8,5 |
|
К16х8х6 |
30,0 |
1,4 |
0,027 |
10,0 |
|
К17,5х8,2х5 |
30,0 |
1,4 |
0,013 |
8,5 |
|
К20х10х5 |
42,0 |
1,3 |
0,012 |
8,0 |
|
К20х12х6 |
77,0 |
1,4 |
0,018 |
9,5 |
|
К28х16х9 |
210,0 |
0,67 |
0,010 |
7,5 |
|
К31х18,5x7 |
250,0 |
0,81 |
0,012 |
7,5 |
|
К32х16х8 |
310,0 |
0,55 |
0,018 |
7,5 |
Расчетные данные ряда преобразователей с независимым возбуждением на кольцевых магнитопроводах из феррита 2000НМ1 соответствуют частоте 50 кГц. Сначала определяют габаритную мощность Рг трансформатора как сумму мощностей всех нагрузок и ток первичной обмотки:
II = Pr/(UI - 1,3);
Затем по таблице 1 выбирают магнитопровод, обеспечивающий трансформатору габаритную мощность (с запасом), и рассчитывают число витков первичной обмотки:
WI = w' UI*(1 - Uк /2), где:
- Uк — коэффициент, учитывающий неидеальность трансформатора;
- диаметр моточного провода: dI =1,13*Ц II /j.
Рекомендую в два провода выполнять первичную обмотку, плотно укладывая витки на магнитопровод, и, после расчетного числа витков, продолжить намотку до заполнения слоя. Затем следует пересчитать число витков на 1В напряжения с учетом уже намотанных и с новым значением W рассчитать числа витков вторичных обмоток:
WI = w'UI*(1 + Uк /2), а также диаметр провода (по формуле, аналогичной приведенной выше).
Витки вторичных обмоток трансформатора также следует укладывать равномерно по всему периметру магнитопровода. Такой прием позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и лишний раз гарантирует ненасыщение магнитопровода при работе, даже если частота преобразования несколько уменьшится.
Настройка
Налаживание преобразователя начинают, отключив предварительно источник питающего напряжения от первичной обмотки трансформатора. Пользуясь осциллографом, проверяют наличие на выходах триггера импульсов и их частоту. Затем на трансформатор подают питание и проверяют работу преобразователя на холостом ходу.
После этого можно подключить эквивалент нагрузки и убедиться, что преобразователь устойчиво работает при любой нагрузке, не превышающей максимально допустим, и при этом его транзисторы работают в ключевом режиме — фронты сигналов на коллекторах должны быть крутыми и напряжение на открытом транзисторе не превышало справочного значения и UКэнас.
Для уменьшения времени выключения мощных транзисторов (см. рис. 2) следует их эмиттерные переходы зашунтировать резисторами сопротивлением 100...510 Ом.
Ю. Власов
Литература:
1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г. С. Найвельта. — М.: Радио и связь, 1985.
