Модуль выполнен на широко распространенных электронных компонентах зарубежного производства и практически не содержит дефицитных деталей. В качестве ШИ-контроллера используется микросхема MC34063 (U1). Управляющий импульс отрицательной полярности с выводов U1 (1, 8) подается на преобразователь уровня, выполненный на транзисторе Q2, с коллектора которого, преобразованный по уровню управляющий импульс подается на входы эмиттерных повторителей (Q1, Q6), обеспечивающих управление затворами мощных полевых транзисторов (Q3, Q4). При спаде импульса и нахождении его полки в области отрицательных значений относительно баз транзисторов Q1, Q6, транзисторы эти заперты и по цепи: общий провод-выводы 8,1 (U1)-R4-ЭК (Q2)-D1(D2)-R2 (R3), — происходит подача отрицательного напряжения на затворы Q3, Q4. Q3, Q4 отпираются и находятся в этом состоянии до того, пока напряжение на «прямом» входе элемента U3.2 не станет выше напряжения на инверсном входе этого же элемента. В этом случае, соответственно, на выходе элемента U3.2 пропорционально (на разницу уровней прямого и инверсного входов кратно коэффициенту усиления ОУ) повысится напряжение, обуславливающее увеличение напряжения и на входе ОС микросхемы U1 (вывод 5). Выходной транзистор U1 (выводы 2-1,8) закроется и обесточит цепь подачи напряжения на затворы силовых ключей (Q3, Q4). Эмиттерные повторители (Q1, Q6) в этот момент откроются током через резистор R1, разряжая затворные емкости силовых ключей, обеспечивая быстрое запирание Q3, Q4 до момента, пока напряжение на прямом входе элемента U3.2 не станет ниже значения на инверсном входе этого же элемента. После чего цикл коммутации силовых ключей повторится. Таким образом производится регулирование напряжения на выходе модуля, где значение выходного напряжения определяется опорным значением напряжения, регулируемым с помощью потенциометра PR2. Регулировка ограничения тока производится потенциометром PR3, с движка которого снимается установочное значение опорного напряжения и подается на прямой вход элемента U3.1. Как только падение напряжения на инверсном входе U3.1 начнет превалировать над опорным значением, напряжение на выходе этого элемента уменьшится пропорционально (с учетом коэффициента усиления ОУ, определяемого отношением резисторов R16, R18) в соответствии с разницей значений на прямом и инверсном входах, увеличивая разницу напряжений на входах U3.2, тем самым увеличивая уровень напряжения на входе ОС U1 (вывод 5) и запирание силовых ключей.
Включение микросхемы U1 — практически стандартное, но снабженное преобразователем уровня на транзисторе Q2 для возможности работы модуля с относительно высокими входными напряжениями, непозволительными для самой MC34063. Микросхема в этом случае может быть запитана напряжением 5-15В и работает в облегченных режимах, как по напряжению, так и по току. Вывод 7 микросхемы не задействован, но может быть использован для плавного запуска модуля или как порт для выключения модуля, подключения дополнительных защитных схем. Стабилизатор питания U1 выполнен на транзисторе Q5, стабилитроне VZ2, ток стабилизации через который определяется резистором R11. R10 — балластный и ограничивает мощность, рассеиваемую на транзисторе Q5. Питание сдвоенного ОУ осуществляется стабилизатором U4. Его выходное напряжение используется и в качестве опорного.
Выходное напряжение модуля определяется шириной импульсов управления и параметрами элементов «шлюза» (дроссель L1, конденсатор C11). Ширина импульсов управления зависит от разницы уровней напряжения на входах элементов U3. Ток зарядки конденсатора C11 определяется индуктивностью дросселя L1 и временем открытых ключей Q3, Q4. Разряд определяется сопротивлением нагрузки. Следует так же учесть, что частота коммутации ключей так же будет зависеть от нагрузки и параметров «шлюза». Процесс работы связки КЛЮЧ-ДРОССЕЛЬ-КОНДЕНСАТОР, понятно, описан здесь максимально поверхностно, но достаточно подробно подобные процессы описаны в литературе о силовой электронике. Расчет дросселя не производился, а режимы нормальной работы модуля подбирались под выбранные элементы «шлюза» изменением частоты генератора U1. Индуктивность дросселя варьировалась от 22 до 47uH (микроГенри), а при испытании подбирались готовые дроссели с необходимыми массогабаритными показателями сердечников и достаточным сечением обмоточного провода. Большинство таких дросселей применяется в компьютерных БП. От параметров дросселя будет зависеть во многом КПД модуля, нагрев силовых ключей и самого дросселя. Подробно о расчете дросселя в ШИ-преобразователях с фиксированной частотой можно прочесть здесь: https://www.compel.ru/lib/ne/2007/8/7-sovetyi-po-proektirovaniyu-ponizhayushhih-preobrazovateley.
Для модуля разработана и изготовлена двусторонняя печатная плата под SMD-компоненты размером 53Х50мм. Силовые ключи Q3, Q4 и транзистор стабилизатора Q5 расположены в ряд для возможности установки на общий радиатор подходящих размеров с площадью охлаждения не менее 50см2, если модуль предназначен для долговременной или непрерывной эксплуатации. Максимальные размеры дросселя (проекции) для размещения на плате могут составлять 16Х24мм. Плата снабжена установочными местами под ножевые клеммы (входные и выходные напряжения) дублирующими и отверстиями для провода диаметром до 1,2мм. Регулировочные потенциометры (ток, напряжение) для установки на плату использованы вертикальные многооборотные, но могут быть использованы при выносе за пределы платы (проводниками минимальной длины) и другие типы потенциометров. Резистор R10 (мощностью не менее 2Вт) следует распаивать на высоте не менее 5мм от платы. Резистор R4 может иметь мощность 0,25-0,5Вт. Резистор R20 составной и дополнительным резисторам на плате присвоены позиционные обозначения R201, R202, R203. Сборка и наладка не представляет трудностей и модуль начинает работать сразу после сборки.
При налаживании, подключив вольтметр, необходимо определить диапазон регулировки выходного напряжения вращением штифта потенциометра PR2 в ту или иную стороны, подбирая необходимый диапазон регулирования резисторами R15, соотношением резисторов делителя ОС R12, R13. Диапазон регулировки ограничения тока подбирается резистором R19.
Схема модуля принципиальная электрическая
Вид платы модуля сверху
Вид платы модуля снизу
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R2, R3 | Резистор | 47 | 2 | |||
| R1, R5 | Резистор | 1k8 | 2 | |||
| R4, R6, R13 | Резистор | 620 | 3 | |||
| R9, R14, R15, R17, R19 | Резистор | 2k2 | 5 | |||
| R7, R16, R19 | Резистор | 91 кОм | 3 | |||
| R8 | Резистор | 3k9 | 1 | |||
| R11 | Резистор | 4k7 | 1 | |||
| R10 | Резистор | 100 | 1 | |||
| R12 | Резистор | 9k1 | 1 | |||
| R20 | Резистор | 0.05 | 4 | |||
| PR2, PR3 | Переменный резистор | 10k | 2 | |||
| C1 | Конденсатор | 470 | 1 | |||
| C5, C6 | Конденсатор | 1uF/50V | 2 | |||
| C13 | Конденсатор | 1uF/100V | 1 | |||
| C2, C11 | Электролитический конденсатор | 1000uF/100V | 2 | |||
| C4 | Электролитический конденсатор | 100uF/25V | 1 | |||
| C9 | Электролитический конденсатор | 47uF/25V | 1 | |||
| C12 | Электролитический конденсатор | 1uF | 1 | |||
| VZ1, VZ2 | Стабилитрон | 1N4744A | 2 | |||
| D3, D4 | Диод | SS510 | 2 | |||
| D1, D2 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | |||
| Q1, Q6 | Биполярный транзистор | MMBT5551 | 1 | |||
| Q5 | Биполярный транзистор | TIP122 | 1 | |||
| Q3, Q4 | MOSFET-транзистор | IRF9540 | 1 | |||
| U1 | Микросхема | MC34063 | 1 | |||
| U3 | Операционный усилитель | LM358 | 1 | |||
| U4 | Микросхема | 78L05 | 1 | |||