Максимальный выходной ток модуля составляет 15А. Рабочая частота модуля может варьироваться от 30 до 120кГц и зависит от выбора материала и габаритов накопительного дросселя. Диапазон регулировки стабилизированного выходного напряжения составляет от +1В до 92% от входного напряжения. Диапазон регулировки ограничения выходного тока — 0,05-10А.
Модуль выполнен на широко распространенных электронных компонентах зарубежного производства и практически не содержит дефицитных деталей. В качестве ШИ-контроллера используется микросхема TL494CN (U1) в однотактном варианте включения (вывод 13 микросхемы соединен с общим проводом). При этом выходные транзисторы микросхемы (в данном случае — с открытым коллектором) формируют синфазные управляющие импульсы отрицательной полярности, а коэффициент заполнения импульсов может варьироваться практически от 0 до 99%. Все выводы микросхемы используются в стандартных включениях и использованы по прямому назначению. Напряжение питания (+12+15В) подается на вывод 1 (U1) с выхода параметрического стабилизатора, собранного на составном транзисторе TIP122 (Q1), стабилитроне VZ2 (с напряжением стабилизации 13-16В) и резисторе R3, обеспечивающего необходимое значение тока стабилизации для стабилитрона. Конденсатор C3 улучшает сглаживающие свойства стабилизатора и позволяет применить в цепи питания микросхемы конденсатор меньшей емкости (C4). Резистор R2, установленный на входе стабилизатора, служит для мощностной «разгрузки» транзистора при максимальном входном напряжении и может быть заменен перемычкой при достаточном охлаждении Q1 или при питании от источника с невысоким напряжением. Ток потребления, отдаваемый Q1 в цепь питания +12В, — невелик и с учетом работы выходных транзисторов U1, составляет не более 80мА. Однако максимальная электрическая мощность при этом, рассеиваемая Q1, может составить почти 4Вт. Минусовая шина питания микросхемы U1 выводом 7 соединена с общим проводом схемы модуля. RC-пара задающего генератора U1 образована элементами R1, PR1, C1 (с возможностью перестройки частоты генератора с помощью PR1) в соединении с выводами 5 и 6 (U1). Вывод 4 (U1) служит для организации плавного запуска, когда ширина импульса увеличивается от 0 до значения, ограниченного установленными значениями напряжений на выводах 1, 2, 15, 16. Таким же образом (от 0 до установленного значения) будет увеличиваться и выходные значения (напряжение, ток) модуля. Время нарастания выходных значений до установленных определяется элементами R13, C7. Диапазон значений выходного напряжения определяется резистивным делителем R15, R16 и устанавливается подбором номиналов этих резисторов, а так же резистора R11, установленного в цепи регулировки опорного напряжения, фиксированное значение которого (+5В) снимается с вывода 14 (U1). Установка выходного напряжения производится потенциометром PR3, путем регулирования напряжения на выводе 2 (U1). С помощью потенциометра PR2 устанавливается необходимое значение выходного тока в пределах диапазона, определяемого сопротивлением токового датчика R13 и номиналом резистора R7. С коллекторов выходных транзисторов микросхемы (U1), импульсы подаются на эмиттер транзистора Q2, выполняющего функции преобразователя уровня. Такое включение Q2 позволяет выходным транзисторам U1 (относительно низковольтным) производить управление силовым ключом (Q4, Q5), отнесенным по напряжению на большее значение, чем то, на которое рассчитаны транзисторы U1. Т.е., использование Q2 таким образом позволяет обойтись без специализированных драйверов и опторазвязки, обеспечивая однако работу модуля с повышенными входными напряжениями. Так, например, использование силовых ключей (Q4, Q5) и транзистора Q2 с соответствующими рабочими напряжениями, позволило бы использовать модуль с источником напряжения от 100В и выше. Номенклатура MOSFET-ключей с p-структурой, к сожалению, выглядит достаточно бедно в сравнении с n-структурой, а модуль ориентирован на построение из доступных компонентов, применение которых не позволило использовать модуль при больших входных напряжениях. В качестве Q2 может быть использован практически любой транзистор соответствующей проводимости с рабочим напряжением не менее 80В, током от 1А и напряжением насыщения до 1В. Коэффициент усиления транзистора не критичен, но в схеме устанавливались транзисторы с h21э от 40. При необходимости режим работы транзистора Q2 может быть подобран резистором R5. Затворы силовых ключей (Q4, Q5) заряжаются до напряжения отпирания через открытые транзисторы микросхемы U1 по цепи: R5, эмиттер-коллектор Q2, D2, R9 (R10). Напряжение на затворах (исток — затвор) ограничивается стабилитроном VZ1. Ток через стабилитрон ограничен резистором R5, некоторым падением напряжения на транзисторе Q2 и шириной импульсов управления. Транзистор Q3 в момент заряда затворов Q4, Q5 — закрыт отрицательным импульсом. Разряд затворов и закрывание Q4, Q5 происходит в момент запирания транзисторов U1, Q2 и отпирания транзистора Q3 током через резистор R4.
Выходное напряжение определяется шириной импульсов управления и параметрами элементов «шлюза» (дроссель L1, конденсатор C9). Ширина импульсов управления зависит от разницы уровней напряжения на входах усилителей (ошибки выводы U1 1, 2 и 16, 15). При большем значении на неинвертирующих (прямых) входах, ключи Q4, Q5 открыты и обеспечивают заряд «шлюза» от входного источника напряжения до значения на С9, определяемого совпадением напряжений на входах инвертирующих и прямых одного из усилителей ошибки. При этом силовые ключи запираются и шлюз L1/C9 разряжается в нагрузку до момента, пока напряжение на инвертирующих входах обоих усилителей ошибки U1 не достигнет значения меньшего, чем на их прямых входах. Ток зарядки конденсатора C9 определяется индуктивностью дросселя L1 и временем открытых ключей Q4, Q5. Разряд определяется сопротивлением нагрузки. 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 размером 56Х70мм. Силовые ключи Q4, Q5, транзистор стабилизатора Q1 и диодная сборка D5 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 R2 (мощностью не менее 2Вт) следует распаивать на высоте не менее 5мм от платы. Резистор R5 может иметь мощность 0,25-0,5Вт. Резистор R18 должен иметь мощность 3-5Вт и находиться на высоте не менее 10мм от поверхности платы. Транзисторы Q2, Q3 могут быть отечественного производства: КТ817Г, КТ961А. Микросхема U1 монтируется со стороны пайки.
Была разработана печатная плата и под SMD-компоненты. При этом незначительно изменена принципиальная схема, где вместо одного транзистора, коммутирующего затворы мощных ключей, — два, работающих на «свой» затвор; использована группа SMD-диодов вместо мощной диодной сборки; использована группа SMD-резисторов вместо R18.
Сборка и наладка не представляет трудностей и модуль начинает работать сразу после сборки.
После включения модуля необходимо выставить частоту генерации U1 40-60кГц с помощью PR1, если модуль будет использоваться в комплекте с дросселями от компьютерных БП. Подключив вольтметр, необходимо определить диапазон регулировки выходного напряжения, изменяя сопротивление PR3 в ту или иную стороны (для ускорения разрядки конденсатора С9 установив предварительно параллельно ему резистор 100-200 Ом соответствующей мощности). Диапазон регулировки выходного напряжения можно подобрать резисторами R11, соотношением резисторов R15, R16. Диапазон регулировки ограничения тока подбирается резистором R7.
Схема принципиальная модуля
Плата с подписанными номиналами компонентов (со стороны компонентов)
Плата с позиционными обозначениями компонентов (со стороны компонентов)
Вид платы со стороны пайки
Транзистор Q1 можно заменить на TIP122; Q2 — на КТ817Г, 2SC2383, ME13003; Q3 — KT961A, KT817, BD139; Q4-Q5 — на IRF5210PBF. Все эти транзисторы использовались при макетировании схемы.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1 | Резистор | 1.8 кОм | 1 | |||
| R2 | Резистор | 100 Ом | 1 | |||
| R3 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | |||
| R4 | Резистор | 2 кОм | 1 | |||
| R5 | Резистор | 620-2k | 1 | |||
| R6, R8, R14, R17 | Резистор | 2.2 кОм | 4 | |||
| R7 | Резистор | 51k-130k | 1 | |||
| R9, R10 | Резистор | 47 Ом | 2 | |||
| R11 | Резистор | 2k2-4k7 | 1 | |||
| R12 | Резистор | 3.9 кОм | 1 | |||
| R13 | Резистор | 15k-47k | 1 | |||
| R15 | Резистор | 9.1 кОм | 1 | |||
| R16 | Резистор | 620* | 1 | |||
| R18 | Резистор | 0.01-0.1 | 1 | |||
| R19 | Резистор | 270k-330k | 1 | |||
| PR1 | Подстроечный резистор | 100k | 1 | |||
| PR2, PR3 | Переменный резистор | 10k | 2 | |||
| C1 | Конденсатор | 1n | 1 | |||
| C2, C9 | Электролитический конденсатор | 1000uF/100V | 2 | |||
| C3 | Электролитический конденсатор | 47uF/25V | 1 | |||
| C4 | Электролитический конденсатор | 47uF-100uF/25V | 1 | |||
| C5, C6 | Конденсатор | 1uF/50V | 1 | |||
| C7 | Электролитический конденсатор | 10uF-47uF/25V | 1 | |||
| C8 | Конденсатор | 1uF/100V | 1 | |||
| L1 | Катушка индуктивности | 22uH-47uH | 1 | |||
| Q1 | Транзистор | KT829A | 1 | |||
| Q2 | Транзистор | KT961A | 1 | |||
| Q3 | Транзистор | KT815 | 1 | |||
| Q4-Q5 | MOSFET-транзистор | IRF9540 | 2 | |||
| D2 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | |||
| D5 | Диод | 10A/100V | 2 | |||
| VZ1, VZ2 | Стабилитрон | 1N4744A | 2 | |||
| U1 | Микросхема | TL494CN | 1 | |||