02.04.21

[Домашняя]

Большинство схем преобразователей напряжения (ПН) предназначены для питания ЛДС мощностью не более 30 Вт. Известно, что емкость аккумулятора не позволяет длительную эксплуатацию мощных потребителей энергии. Вот почему мы стремимся применять маломощные ЛДС. А это как раз и невыгодно в отношении экономичности! Как доказали экспериментальные исследования, малогабаритные ЛДС не являются высокоэффективными излучателями света, если взять соотношение количество света/количество потребляемой энергии. В стационарных условиях выгоднее установить крупногабаритную ЛДС, чем малогабаритную. Таким способом достигается повышенная светоотдача при одинаковых потребляемых от аккумулятора мощностях этими ЛДС. Речь, безусловно, идет о ПН с регулировкой яркости свечения ЛДС. Я не имею в виду какой-то конкретный тип или фирму-производителя ЛДС и схему ПН. Вот лишь один пример. ПН, эксплуатировавшийся с ЛДС мощностью 40 Вт в режиме "ночника", потреблял от аккумулятора 12 В ток 0,1-0,3 А. При этом в комнате было настолько светло, что переносной фонарик, потребляющий такую же мощность (12 В; 0,1-0,3 А), был в роли "светлячка". Таким образом, если мы говорим об экономии энергии аккумулятора при питании ЛДС от ПН, то следует соответствующим образом позаботиться как о конструкции ПН, так и типе ЛДС. ЛДС производства дальнего зарубежья лучше, чем отечественные. Предположим, мы выбрали лампу ЛДС фирмы "Филипс" мощностью 40 Вт. Они ненамного дороже отечественных, но заметно превосходят последние по характеристикам. Первое, яркость "Филипса" больше, чем у наших ЛДС. Второе, что очень и очень важно при питании ЛДС от ПН и аккумулятора, это почти вдвое меньшее напряжение поджига газа внутри баллона. Имеем приблизительно 600-700 В (у "Филипса") против 1000-1200 В и даже более у ЛДУ-40. Не стоит, видимо, упоминать надежность, долговечность при сравнении этих ламп. Схемотехника почти всех опубликованных ПН "где-то пересекается". Остановимся на основных моментах ("подводных камнях") в ПН для ЛДС. Никоим образом нельзя игнорировать требования, предъявляемые к силовой импульсной схемотехнике. Например, нельзя устанавливать "случайные" трансформаторы, низкочастотные транзисторы, если речь идет о частотах более 20 кГц. Монтаж - тоже вещь коварная. Особенно это касается КМОП - серий микросхем 176, 561 и т.п. Просто мне доводилось наблюдать за работой начинающих, когда все только что перечисленное имело место в ПН для ЛДС в нескольких экземплярах! Удивительным было то, что ЛДС все же работали! Но "раскачать" ЛДС мощностью 40 Вт, а тем более 80 Вт, почти нереально. В ПН, схема которого приведено на рис.1, учтено многое из необходимых требований к такой технике.

Собственно генератор прямоугольных импульсов собран на КМОП-микросхеме DD1 типа К561ЛЕ5. Яркость регулируется изменением скважности импульсов резистором R2. Частота генератора (элементы DD1.1 и DD1.2) зависит от емкости конденсатора С1 и, конечно же, от емкости монтажа и экземпляра микросхемы. С выхода четвертого элемента (вывод 10) DD1 управляющий сигнал через резистор R5 поступает на затвор МОП-полевого транзистора VT2 (КП901А). С истока последнего сигнал поступает на затвор мощного полевого транзистора VT3 типа IRFZ34. Но на схеме рис.1 не показана одна деталь. Это - резистор R8 сопротивлением 33051 Ом, который включен в разрыв затвора транзистора VT3. Многим хороши мощные "полевики", кроме больших внутренних емкостей между электродами. В данном случае речь идет о емкости затвор-исток, которая превышает 1000 пФ. Чтобы улучшить КПД ПН, т. е. уменьшить бесполезно рассеиваемую на транзисторе VT3 мощность, необходимо быстро включать и выключать этот транзистор. Это невозможно сделать без быстрого заряда и разряда входной емкости VT3. Об этом много сказано в профессиональной литературе и очень мало в радиолюбительской. Человек верит в то, что установка мощного полевого транзистора с малым сопротивлением сток-исток (включенное состоя­ние) уже решает проблему коммутационных потерь мощности. Но это не ток! В данной конструкции предусмотрены специальные меры по ускоренному разряду входной емкости транзистора VT3. Для этого в схему ПН установлены дополнительные элементы: транзистор VT1, резистор R6 и форсирующий конденсатор Сб. Суть данной системы довольно проста. Поскольку на выходах элементов DD1.3 и DD1.4 присутствуют всегда противофазные импульсы, то несложно понять и алгоритм работы схемы. Транзистор VT1 принудительно разряжает входную емкость VT3, когда на выходе элемента DD1.3 присутствует лог. "1". При установлении лог. "0" на выходе DD1.3 транзистор VT1 ускоренно закрывается, для этого и установлен "форсаж" в виде конденсатора С6. Можно сказать, что проще было бы уменьшить сопротивление резистора R7, например, в 10-30 раз. Проще, но не экономично и не эффективно, потому что на этом резисторе будет рассеиваться (почти бесполезно) часть мощности аккумулятора.

Об эффективности. Дело в том, что благодаря элементам схемы VT1, R6 и С6 образуется весьма своеобразная цепь авторегули­рования практически самого выгодного режима работы ПН. А это в свою очередь сказывается на устойчивости работы ПН при изменении яркости ЛДС в очень широких пределах. Без указанных элементов схема работает значительно хуже. Заряд входной емкости VT3 обеспечивается мощным полевым транзистором типа КП901А, имеющим сравнительно малую входную емкость Сзи (около 100 пФ согласно ТУ). Резистор R5 - антипаразитный, он предотвращает работу VT3 на KB и УКВ диапазонах, что вполне реально для таких "быстрых" транзисторов, как КП901А (f —400 МГц). Питание микросхемы - через RC-фильтр, поскольку ВЧ пульсации по питанию способны нарушать нормальный режим работы генератора.

О деталях. Вместо К561ЛЕ5 можно установить К561ЛА7, вместо транзистора КТ645А - КТ3142А. Не исключено применение и других транзисторов в качестве VT1, эксперименты покажут, что лучше, а что хуже. Если лампа мощностью не более 30 Вт, то вместо КП901А можно применить и КП902А. Транзистор оконечный типа IRFZ34 можно заменить любым аналогичным. Можно установить даже отечественные типа КП922А, но нагреваться их корпуса будут сильнее. Поэтому несколько экземпляров устанавливают параллельно. Проблема - в подборе экземпляров с близкими значениями пороговых напряжений U пор.  Из имеющихся у меня некогда 12 шт. КП922А U имело от 3,5 до 6,5 В! Так что выбор понятен, а цена у наших КП922А еще выше, чем у таких транзисторов, как IRF640 (и это при том, что параметры у последних раза в два лучше наших). IRF640 сюда тоже не очень подходит, причем только из-за повышенного сопротивления сток-исток при включенном состоянии. Читателю будет интересно узнать, что первоначально в качестве транзистора VT3 был установлен... биполярный типа КТ8101А! Правда, в этом случае в качестве транзистора VT1 был установлен германиевый ГТЗ11Е. В противном случае высокое напряжение насыщения Uкэ.нас не сможет разрядить входную емкость транзистора KT8101A. Вполне вероятно применение и КТ827А. Но проблема рассеивания неосновых носителей в базе требует отрицательного напряжения во время выключения биполярного транзистора. Это можно осуществить, но схемотехника ПН совершенно видоизменяется. Резистор R2-СП-1 (А-1 ВТ II) установлен (впаян) непосредственно в печатную плату ПН (рис.2). Только так можно решить проблему с резким уменьшением емкости монтажа. Обратите внимание на емкость конденсатора С1, она равна примерно 15 пФ.

Об импульсном трансформаторе Т1, От этого трансформатора зависит очень многое. Ферритовые кольца здесь использовать нельзя. Поэтому, чтобы "не мелочиться", использован ферритовый сердечник от ТПИ (марка ТПИ не установлена, так как сердечник покупали отдельно, т.е. без катушек и обмоток). Феррит Ш16Х Х20 М2000 НМ1-14. Вполне достаточно (с точки зрения максимальной эффективности данной конструкции) следующее исполнение импульсного трансформатора Т1. Сначала наматываем 300 витков провода ПЭВ-2 00,6. Поверх наматываем 12 витков провода ПЭВ-2 02,4 мм. Между обмотками находится слой изоленты. Об изготовлении каркаса На деревянную оправку сечением 17x21 мм накручиваем 1-2 слоя электрокартона (если его нет, то подойдет любой картон достаточной прочности). Оставляем запас на щечки каркаса. Делаем надрезы и "примерку" на ферритовом стержне. Новоявленный каркас должен совершенно свободно заходить на половинки ферритового сердечника. В противном случае можно ожидать "сюрприза" после намотки обмоток - он не зайдет на свое место. Я не советую никоим образом применять ферриты, бывшие в употреблении. И для этого есть, по крайней мере, две серьезные причины. Феррит может быть "севшим", т. е. не иметь того, что подразумевается в ТУ. Второе - не перегревайте ферритовые изделия! Их параметры буквально исчезают при нагреве более 100-200°С (смотря, какая марка феррита). Радиолюбители об этом упорно молчат. Лишь в соответствующей литературе рассказано о том, что параметры ферритов сохраняются до определенных температур. А ведь именно таким образом (нагрев!) любители рассоединяют половинки "чашек" и других изделий из феррита. Лично мне доводилось "спотыкаться" на таких ферритовых "штучках". Зазор между двумя половинами магнитопровода большим делать не следует. Оптимальное его значение около 0,1 мм. Теперь о монтаже конструкции в целом. Плата ПН размещена вблизи транзистора VT3, последний же - на теплоотводе с охлаждающей поверхностью 300 см . Резистор 33 Ом (R8) припаян непосредственно к выводу затвора этого транзистора. Это весьма важно: как наличие этого резистора, так и место его размещения. Еще важнее длина соединительных проводов ПН. Самым коротким по длине должен быть провод, соединяющий сток транзистора VT3 и трансформатора Т1 ("горячий" отвод последнего). Аналогичные требования справедливы и для соединения"холодного" вывода I обмотки трансформатора Т1 с конденсатором С5 и платой ПН. Питание от аккумулятора подается сначала на выводы конденсатора С5, а уже потом оно поступает на плату ПН. Впоследствии непосредственно на выводах конденсатора был расположен неэлектролитический конденсатор 4,7 мкФ х 63 В (К73-17). Конструктивно ПН размещен в корпусе отслужившего свой срок сетевого феррорезонансного стабилизатора типа СН-315. Здесь же расположен и сетевой блок питания (БП). Согласитесь, что сетевой БП - очень удобная и необходимая вещь, когда аккумулятор разряжен или его нет вовсе. Ведь не секрет, что создать ПН от сети да еще и с регулировкой яркости - дело куда сложнее, чем данный низковольтный ПН. А наша система может работать теперь как от аккумулятора, так и от сетевого БП.

О сетевом БП. Не стоит увлекаться повышением питающего напряжения. Стабилизаторы непрерывного действия понижают КПД всей системы в целом. Ключевые стабилизаторы -совсем иное дело. Но лично мне "навороты" не по душе. Я удовлетворился диодным мостиком КД213А, размещенным на стеклотекстолите (охлаждение диодам нужно иметь и при лампе ЛДС 40 Вт!). Переменное напряжение с II обмотки -14В. Конденсатор фильтра выпрямителя - К50-32А емкостью 22,000 мкФх40 В. Для лампы ЛДС 80 Вт FU1 применяют на 10 А. Последовательно с FU1 включен амперметр на 10 А. И это не роскошь, а очень оперативный контроль за работой ПН. Сетевой транформатор использован тороидальный магнитопровод от того же негодного СН-315. Первичная обмотка содержит 946 витков провода ПЭЛШО 0,64; вторичная - 60 витков провода ПЭВ-2 01,8 мм. Размеры тороидального магнитопровода: внешний 092,5 мм, внутренний 055 мм, высота 32 мм. Ток холостого хода около 10 мА (~220 В). Марко стали неизвестна. Но, судя по результатам, сталь качественная.

Налаживание. Правильно собранная, без ошибок, схема работает сразу. Но первое включение проводят от сетевого БП с обязательным ограничением тока потребления. Лучше использовать электронный ограничитель тока. Вместо конденсатора С1 временно устанавливают триммер - подстроенный конденсатор (8...30 пФ). Резистором R1 подбирают диапазоны изменения яркости в желаемых пределах. Резистор R2 устанавливают в положение, соответствующее максимальной яркости свечения ЛДС. Подбором емкости конденсатора добиваются наибольшей яркости. Конденсатор С6 подбирают из условия наибольшей устойчивости работы ПН при изменении яркости от максимального до минимального. Одновременно надо следить за нагревом теплоотвода транзистора VT3. Чем больше он греется, тем большая энергия аккумулятора расходуется впустую. Здесь, возможно, придется повозиться с подбором емкости С1, С6. Если решили установить биполярный транзистор VT3, то частоту еще придется снижать, а площадь радиатора увеличивать, так как нагрев значительно увеличится. Важную роль играет качество используемых МОП-транзисторов. Никаких утечек по затвору не должно быть вовсе. Транзистор VT1 также должно быть не низкочастотным. Кстати, вместо Ш-ферритов подходят ферриты и от строчных трансформаторов. Но предостерегаю сразу о том, что было сказано выше. Схема работает почти со всеми (без балластов) ЛДС. Необходимо лишь обеспечить ограничение по мощности, а то, ведь, ЛДС тоже выходят из строя при больших перегрузках (чаще при пуске). Для пуска лампы на малой мощности предусмотрен кнопочный выключатель, контакты которого на время пуска замыкают соответствующие отводы резистора R2 (на схеме не показан).

Электрик №5 2002г стр. 11