Дальнейшего увеличения мощности и повышения КПД схемы удается добиться путем применения современных специальных микросхем и мощных полевых транзисторов. При изготовлении собственной схемы электроудочки следует рассчитывать на получение максимальной выходной мощности от 250 до 400 Вт (запас мощности может пригодиться).

В настоящее время в продаже всегда есть широкий перечень N-канальных полевых транзисторов, изготовленных по MOSFET технологии, которые по сравнению с биполярными имеют гораздо меньше сопротивление в открытом состоянии, что снижает потери, идущие на нагрев ключей (они специально разрабатывались для применения в мощных импульсных источниках питания). Такие транзисторы имеют целый ряд и других достоинств.

Из микросхем, специально предназначенных для управления силовыми транзисторами (так называемых ШИМ-контроллеров), наиболее популярной и доступной является КР1114ЕУ4 (это отечественный аналог импортной микросхемы TL494L). Она содержит полный набор узлов для выполнения широтно-импульсного управления ключами (рие. 2.31), т. е. внутри имеет:

? прецизионный источник опорного напряжения на 5 В (ИОН);

? усилители ошибки (1 и 2);

? компараторы (3 и 4);

? схему управления выходным каскадом на транзисторах;

? генератор пилообразного напряжения.

Эта микросхема позволяет стабилизировать выходное напряжение преобразователя за счет автоматического изменения ширины управляющих импульсов. Подробное описание ее работы я приводить не буду, так как это можно найти во многих доступных книгах и справочниках [19].

На рис. 2.32 показана схема электронного блока, которая позволяет легко получить выходную мощность 250 Вт. В ней преобразователь выполнен на микросхеме DA1 и мощных полевых транзисторах, что делает схему довольно простой. В качестве силовых ключей здесь использованы широко распространенные N-канальные полевые транзисторы BUZ11 (они не очень дорогие и легко доступны, так как выпускаются разными фирмами во всем мире).

В нормальном состоянии (при нулевом напряжении на затворе) транзисторы VT1, VT2 закрыты и открываются импульсами с соответствующих выходов микросхемы (они приходят на затворы транзисторов поочередно). Резисторы R7-R9 и R8-R10 ограничивают выходной ток микросхемы и величину напряжения на затворе ключей. Диоды VD1, VD2 должны быть быстродействующими (Шотки), они ускоряют рассасывание зарядов на затворе силовых транзисторов при закрывании, а также защищают выходы микросхемы от действия отрицательного напряжения.

Рабочая частота преобразователя задается элементами СЗ, R8, и в данной схеме она будет около 35 кГц. Цепь из элементов C1-R7 обеспечивает плавный выход на рабочий режим при включении питания (постепенное увеличение ширины импульсов на выходах микросхемы), что уменьшает броски тока в цепи питания при включении. Делитель напряжения из резисторов R1-R4-R7 позволяет увеличить «мертвое время» между выходными импульсами так, что это исключит появление сквозных токов через транзисторы даже при перегрузке, когда схема стабилизации старается увеличить ширину управляющих импульсов, стремясь поддержать выходное напряжение на заданном уровне.

Выходное напряжение преобразователя можно дискретно (с шагом около 50 В) переключать при помощи SA2 в диапазоне

350…450 В. Для стабилизации выходного напряжения (независимо от положения переключателя SA2) в трансформаторе Т1 использована дополнительная обмотка (3), с которой сигнал через делитель напряжения на резисторе R13 подается на вход DA1/1 (R5 ограничивает входной ток микросхемы). Такой способ получения обратной связи обеспечивает стабильность поддержания выходного напряжения чуть хуже, чем если бы мы брали сигнал непосредственно прямо с выхода, но это упрощает схему и обеспечивает гальваническую развязку относительно высоковольтной цепи. Микросхема в таком включении, в зависимости от положения регулятора R13, может работать либо как стабилизатор выходного напряжения, либо (если сигнал обратной связи по напряжению не приходит) как обычный повышающий напряжение преобразователь. В последнем случае удастся получить выходное напряжение больше, так как ширина управляющих импульсов тогда будет ограничена только резистором R4.

Формирователь выходных импульсов выполнен по классической тиристорной схеме и уже описан ранее, но генератор запускающих импульсов собран на однопереходном транзисторе VT4. Гальваническая развязка цепи управления от выхода осуществляется при помощи трансформатора 12. Переключатель SA3 служит для изменения длительности выходного импульса.

Для того чтобы сделать схему более экономичной, выполнена синхронизация работы автогенератора с выходным напряжением при помощи оптронного коммутатора VS1. Он включается в работу только при заряде конденсатора С7 до напряжения более

100…110 В. Это напряжение задается уровнем, при котором открывается стабилитрон VD8.

В преобразователе предусмотрено подключение тепловой защиты (схема такого узла показана на рис. 2.33). Она аналогична уже описанной (см. рис. 2.19), только стабилизированное напряжение (+5 В) на терморезистор подается с имеющегося внутри микросхемы стабилизатора (вывод DA1/14).

Для удобства пользователя предусмотрена светодиодная индикация режимов. Назначение светодиодов следующее:

HL1 (зеленый) — свечение говорит, что нормально работает преобразователь и на его выходе есть высокое напряжение;

HL2 (зеленый) — на выходе блока есть высоковольтные импульсы; HL3 (красный) — блокировка работы преобразователя при перегреве силовых транзисторов.

Устройство можно дополнить автоматом, который будет контролировать напряжение на аккумуляторе в процессе эксплуатации электроудочки (рис. 2.17).

При изготовлении использовались детали: постоянные резисторы МЛТ или любые аналогичные; подстроенные R4, R13, R17 типа СПЗ-19а (для удобства настройки R17 лучше использовать многооборотный); регулятор частоты R19 — СПЗ-4 (СПЗ-ЗЗ). Терморезистор R16— типа СТЗ-19. Конденсаторы: С1 —К53-1(4, 18) с рабочим напряжением не меньше, чем это указано на схеме; С2…С4 и С6 типа К10-17; оксидные конденсаторы С5 и С7 для уменьшения габаритных размеров лучше использовать импортные (в качестве С7 подойдут 6 штук отечественных К50-29 22 мкФ на 450 В); С8, С9 типа ОМБГ-3 на 500 В.

Светодиоды из серии КИПД подойдут любые. Оптронный ключ VS1 типа 5П14.1 А(В) может быть заменен аналогичным 5П14А(В) (на печатной плате такая замена предусмотрена).

Общим включателем электронного блока является SA1, он должен быть рассчитан на ток не менее 20 А, переключатели SA2 и SA3 должны быть на рабочее напряжение 250 В (1 А), кнопка SB1 подойдет любая малогабаритная. Питающее напряжение на схему подается через реле К2.1. Это реле (благодаря диоду VD10) обеспечивает защиту от неправильной полярности подключения аккумулятора и должно иметь мощные контакты — на ток 30 А (их выпускают для автомобильной автоматики и сигнализации).

Роль плавкого защитного предохранителя FU1 на ток 35 А выполняет перемычка из медного провода диаметром 0,58 мм, установленная прямо на плате.

В качестве разъема для подключения части внешних цепей к блоку можно применить РП14-16Л или аналогичный, имеющий силовые контакты, рассчитанные на ток до 10 А.

Трансформатор Т1 выполнен на двух склеенных вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ1 типоразмера К32х20х6 мм. Параметры обмоток указаны в табл. 2.4. До намотки острые грани сердечника необходимо закруглить надфилем или грубой наждачной бумагой. При изготовлении трансформатора сначала наматывается вторичная обмотка (4-5-6). Намотка выполняется виток к витку в два слоя, с последующей изоляцией лакотканью или фторопластовой лентой (между слоями тоже должна быть изоляция). Первичные обмотки 1 и 2 состоят из двух проводов. Лучше их наматывать одновременно, как это показано на рис. 2.34 (равномерно распределив витки на магнитопроводе). Такая намотка позволяет значительно уменьшить выбросы напряжения в обмотке при закрывании полевых ключей (на фронтах).

Транзисторы устанавливаются на теплоотвод, в качестве которого может быть применен дюралевый профиль (я использовал его с формой, показанной на рис. 2.35). Радиаторы закрепляются на краях печатной платы. При выходной мощности 150 Вт они чуть теплые.

Эта схема может обеспечить в нагрузке мощность до 250 Вт (в прерывистом режиме). Выходную мощность можно увеличить, если включить в параллель по два силовых транзистора, как это показано на рис. 2.36.

Требования к монтажу силовых цепей уже были изложены в разд. 2.5, и все их надо выполнять. Детали схемы размещены на двух печатных платах, изготовленных из одностороннего фольгированно-го стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм размерами 110×90 мм. Одна из плат, где расположена основная часть элементов (на электрической схеме они выделены пунктиром), показана на рис. 2.37 и 2.38 (она уже имеет разводку для параллельного подключения выходных транзисторов).

Вторая плата используется для распайки выводов конденсаторов и имеет только контактные дорожки (может быть любой, и ее топологию вы легко сделаете сами).

Переключатель выходного напряжения SA2 должен располагаться вблизи от силового трансформатора Т1 (иначе могут возникнуть проблемы с наводками из-за длинных проводов).

Теперь несколько слов о настройке. Для этого потребуется собрать стенд, состоящий из аккумуляторной батареи на 12 В (или другого источника питания, способного обеспечить ток в цепи до 35 А, но аккумулятор достать проще) и измерительных приборов, как показано на рис. 2.39. Последовательно в цепь с источником питания включаем шунт (Rlu) и микроамперметр (РА1). Прибор РА1 можно взять М42303 (со шкалой 0…30 А) вместе с шунтом 75ШСМЭ-30-0,5. Для измерения допустимо использовать шунт и на меньший ток, например типа 75ШСМЗ-20-0.5 (на 20 А), и подключить к нему вольтметр. На таком шунте выделяется напряжение 75 мВ при токе 20 А, и, если параллельно с ним подключить стрелочный прибор у которого полное отклонение стрелки на шкале будет при 150 мВ, это позволит измерять ток до 40 А (правда, точность измерения будет чуть хуже, чем 0,5%, но для нас это в данном случае неважно, главное, что мы будем знать уровень потребления).

Для контроля напряжения на аккумуляторе потребуется стрелочный вольтметр со шкалой (0…15 В). Выходное напряжение и форму сигнала лучше контролировать осциллографом (включенным через делитель 100:1). К выходу электроудочки подсоединить через переключатель SA1 эквивалент нагрузки — последовательно включенные осветительные лампочки на 100… 150 Вт и 500 Вт. В качестве мощной нагрузки вместо лампочки можно также применять электроплитку. Если же к еще ненастроенной схеме подключать только одну лампу, то она может быстро сгореть при включении преобразователя (к менее мощным преобразователям можно подключать и по одной лампе).

Предварительную настройку узлов лучше проводить при питании схемы от лабораторного источника, имеющего токовую защиту, установленную на 5… 10 А, а в качестве нагрузки подключить две последовательно включенные лампы на 15…40 Вт. При этом следует убедиться в нормальной работе всех узлов и действии регулировок в необходимом диапазоне. Если импульсов на выходах микросхемы нет, это значит, что включена блокировка тепловой защиты, ее момент срабатывания зависит от R17. Напряжение стабилизации выставляется резистором R13, максимальная ширина импульсов зависит от R4. Подбором R20 (при R19 = 0) выставляем максимальную частоту выходных импульсов около 100 Гц.

Для дальнейшего увеличения мощности можно использовать более мощные ключевые транзисторы, а также необходимо уменьшить время их переключения. Это можно сделать, введя дополнительный каскад между данной микросхемой и полевым транзистором. Такую схему (рис. 2.40) предложил С. Потупчик (г. Санкт-Петербург). Автор назвал устройство Piranha 4200, по имени винчестера, в корпусе от которого она поместилась. Вот описание работы этой схемы в его изложении.

«Задающий генератор собран на стандартном ШИМ-контроллере (импортный аналог из 494-й серии). Контроллер вырабатывает управляющие сигналы для транзисторов усилителя мощности, исключая сквозные токи через них. «Мертвое время» (DEAD time) составляет минимум 3% от длительности периода колебаний и задается напряжением на выводе DA1/4 микросхемы: при 0 В — 3%, 3,5 В — 100%. Конденсатор С1 служит для плавного запуска преобразователя.

В контроллере имеются два усилителя. В моем варианте усилитель 2 используется для стабилизации выходного напряжения (пополнительные цепи обратной связи с выхода показаны пунктиром), а усилитель 1 —для предотвращения разряда аккумулятора (не позволит работать преобразователю при снижении напряжения на аккумуляторе ниже 8 В). Цепь для предотвращения разряда аккумулятора желательно ставить не только в случае, когда жалко аккумулятор, но и тогда, когда используются силовые транзисторы без логического управления, т. е. без буквы L, —у них порог открывания 4…6 В — и при сильном разряде аккумулятора могут перейти в активный режим, что приведет к повреждению схемы из-за перегрева.

Частота преобразования задается элементами C4-R8, и при указанных номиналах составляет 40 кГц. Для изменения частоты эти элементы можно менять в пределах 500пФ…0,1 мкФ и 1…100кОм.

Выходной каскад формирования импульсов особенностей не имеет. Отсутствие диода в ключе позволяет получить на выходе удвоение напряжения в импульсе. Вместо неонки можно использовать динистор (КН102Ж, Д). Емкость в контуре тиристорного ключа 4 или 8 мкФ (переключается при помощи SA1: щука/карась).

Ток холостого хода преобразователя — 70 мА, потребление в воде — 5…7 А на максимальной частоте, т. е. 100 Вт. КПД составляет 98%. Аккумулятор использован на 12В (ЮА-ч). Вес электронного блока удочки — 250 г, размеры металлического корпуса 100x85x25 мм (половина от корпуса винчестера).

Длина «минуса» в воде — 1,8 м (пружина-оплетка мотоциклетного тросика, расстояние между электродами 2,5 м).

Намоточные элементы

Катушка L1 имеет индуктивность около 8 мГн (точно не измерял). Она без сердечника, намотана на каркасе с максимальным диаметром 25 мм, высота 19 мм. Содержит 400 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,25 мм.

Сердечник трансформатора Т1 — два ферритовых кольца М2000НМ типоразмера К32x16x9 мм (диаметр 32 мм, сечением

1,4 см2, приходится 3 вольта на виток). Первичная обмотка содержит 4+4 витка, провод диаметром 0,91 мм (в 4 провода, уложенных лентой). Вторичная обмотка — 130 витков диаметром 0,45 мм.

О заменах радиодеталей

В качестве микросхемы DA1 подойдет любой контроллер из серии 494 (TL494, UC494, uPC494, CD494, КА7500ипр.).

Транзисторы VT1 и VT2 могут быть КТ645, КТ3102 и др. Полевые транзисторы (не IGBT и не КП954) с напряжением не ниже 50 В, сопротивлением канала <0,015 Ом и затворной емкостью <3000 пФ. Транзисторы IRL3705L имеют сопротивление в открытом состоянии R3C-0,01 Ом, и их можно заменить двумя включенными параллельно IRFZ44N (R3C=0,022 Ом). Существуют минские транзисторы завода «Интеграл» КП732Г, они лучше заявленного аналога IRFLZ44, паспортное сопротивление у них 28 мОм, а по измерениям — 18 мОм, и стоят они дешевле. Из наших новых подойдут КП812 (R3C=12 мОм, Воронеж).

Диоды VD3…VD6 желательно использовать быстродействующие (не быстрые сильно греются при больших нагрузках) Uo6p > 400 В, 1д-1 А. Тиристор имеет Uo6p>600 В, ток 16 А.

Оптопара VS1 мотороловская 4N38A, но можно использовать любую с напряжением изоляции более 1000 В и током светодиода

1…10 мА, например нашу АОТЮ1.

Неонка VL1 не всякая подойдет — была взята от стартеров ЛДС, — но лучше всего работает тиратрон МТХ-90 или динистор (я в некоторых экземплярах устройства ставил КН102Ж).

Особенности монтажа силовой части

Соединения земляной шины, силовой провод «-», эмиттеры силовых транзисторов, «-» конденсатора по питанию 12 В и «-» питания платы контроллера должны сходиться в одной точке. Провода питания затворов силовых транзисторов желательно делать не длиннее 15 см. В первый раз при запуске, во избежание неприятностей, среднюю точку силового транзистора надо включать через резистор 2… 10 Ом.

Ток на холостом ходу преобразователя не должен быть более 200 мА (у меня 70), разброс может быть из-за разного феррита. Нельзя включать транзисторы с открытыми затворами, спустя 1…5 мин они начинают самопроизвольно открываться.

Силовые транзисторы прижаты к металлическому корпусу через прокладку из теплопроводящей резины (можно и через слюду). Нагрев корпуса ощущается очень слабый через 20 мин при работе вторичной обмотки преобразователя на лампочку 150 Вт (лампочка после 20 мин почернела и сгорела), да и то, по-моему, это греется трансформатор…

Элементы, отмеченные на схеме звездочкой «*», могут потребовать подбора. Монтаж микросхемы и деталей, обеспечивающих ее режим, можно выполнить на универсальной макетной плате. Топологию печатной платы я не разводил — не массовое изделие (но ее можно найти в литературе [6]), у меня уместилось все на участке 20×20 мм (SMD монтаж).

Если хотите увеличить мощность преобразователя, рекомендую следующее: если добавлять в параллель еще пару транзисторов, то надо уменьшить отпирающие сопротивления в затворах до 90… 100 Ом вместо 220 — это необходимо для более быстрой прокачки возросшей затворной емкости, и соответственно придется вдвое уменьшить сопротивление в фильтре питания контроллера до 13… 15 Ом, чтобы сохранить на прежнем уровне напряжение питания контроллера. Транзисторов в параллель можно и не добавлять (максимальный ток у IRL3705N около 80 А), но тогда придется установить более объемные радиаторы (общая мощность потерь будет около 16 Вт). Можно добавить третье кольцо в сердечник (К32х16х9), или взять 2 кольца К32х16х12 мм —таким образом сечение будет около 2 см2 и допустимая мощность возрастет по крайней мере до 430 Вт, если не больше.»

Так как современные мощные полевые транзисторы обладают рядом особенностей (например, большая входная емкость и др.), которые подробно описаны в книге, посвященной разработке импульсных источников питания [20], для получения мощности от преобразователя более 300 Вт лучше использовать современные, специально разработанные для управления силовыми полевыми ключами микросхемы ШИМ-контроллеров, например из серии КР1156ЕУ2 (или — что то же самое — UC3825) и ряд других. Они работают аналогично, но имеют внутри более мощный выходной каскад, выполненный по комплиментарной схеме. Такие микросхемы не намного дороже, чем КР1114ЕУ4, и сегодня их легко можно приобрести. Это позволяет ускорить переключение полевых транзисторов за счет ускорения рассасывания накопленного на затворе заряда, что особенно важно при работе преобразователя на большой мощности — от 200 Вт и выше.

Их применение позволяет добиться работы преобразователя на более высокой частоте, что дает возможность снизить габариты магни-топровода трансформатора.

Но изготовление силового преобразователя, работающего на высоких частотах, требует определенного опыта (аккуратности) и строгого соблюдения рекомендаций по применению конкретной микросхемы. Здесь можно столкнуться с такой ситуацией, что вполне нормальная схема из-за неграмотного выполнения конструкции и монтажа может работать неустойчиво и перепортить кучу дорогих силовых транзисторов, а в конечном итоге вообще сгореть.

Общими рекомендациями по разводке топологии печатной платы и монтажу являются следующие:

1. Плата выполняется из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, при этом один из слоев фольги используется в качестве экрана.

2. Необходимо шунтировать питающие выводы микросхемы ШИМ контроллера (Vcc и Vc) высокочастотными конденсаторами.

3. Соединительные выводы у деталей выполняются минимальной длины.

4. Соединительные цепи не должны образовывать паразитных контуров от выходных выводов микросхемы через заземление.

Вариант схемы преобразователя, выполненного на микросхеме ШИМ-контролера КР1156ЕУ2, приведен на рис. 2.41 (может также использоваться К1156ЕУ2 или импортная UC3825). Кроме вышеописанных достоинств, у данной микросхемы имеется еще одно: встроенная защита, отключающая работу преобразователя при снижении питающего напряжения ниже 7,5 В (защита обладает гистерезисом, т. е. работа опять включится только при увеличении напряжения выше 8,3 В).

Рабочая частота преобразователя задается резистором R7 и конденсатором С5. При указанных на схеме элементах она составляет 50 кГц (частота внутреннего генератора в 2 раза выше).

Для стабилизации выходного напряжения в преобразователе выполнена обратная связь по напряжению, которая берется с дополнительной обмотки (3) трансформатора Т1 (аналогично, как в схеме на рис. 2.31). Коэффициент стабилизации зависит от соотношения резисторов R3-R5. Конденсатор С4 служит для задержки подачи полного выходного напряжения на время около 1 с, это снижает бросок тока в начальный момент подачи питания на схему, пока идет заряд конденсаторов С8-С9.

Тепловая защита выполнена на терморезисторе R2 (типа СТЗ-19) и транзисторе VT1. Датчик температуры крепится клеем на радиаторе силового транзистора (любого). При превышении температурой заданного порога транзистор VT1 открывается и подает напряжение на вход DA1/9, что блокирует работу преобразователя. Порог срабатывания защиты лучше выставить на уровне 100°С.

Все элементы преобразователя, выделенные на схеме пунктиром, размещены на печатной плате, изготовленной из двухсторонне го фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм размером 105×100 мм. Вторая сторона фольги используется в качестве экрана (в местах отверстий, где проходят выводы деталей, более толстым сверлом снимается фаска, чтобы исключить случайные замыкания цепей при монтаже). Топология и расположение элементов показаны на рис. 2.42 и 2.43. На плате в местах, где проходят силовые цепи, лучше припаять дополнительные медные проводники диаметром около 1 мм. А выводы деталей, как уже говорилось выше, должны иметь минимальную длину.

При монтаже использованы следующие детали: подстроенные резисторы R1 и R4 типа СПЗ-19а; постоянные резисторы — С2-23; терморезистор R2 типа СТЗ-19; конденсаторы С1…С7 — К10-17; С8, С9 — К50-46; СЮ, С11 — импортные SMS (фирмы SAMSUNG, они имеют малые габариты). Транзисторы VT2, VT3 могут использоваться такие же, как и в схеме на рис. 2.40 (они крепятся к ребристым радиаторам).

Магнитопровод и требования к конструкции силового трансформатора (Т1) такие же, как и в используемом для схемы на рис. 2.31, но число витков немного отличается (табл. 2.5).

При изготовлении конструкции следует переключатель выходного напряжения разместить как можно ближе к трансформатору Т1, а все переключения режимов выполнять только при неработающем преобразователе.

Проверку преобразователя лучше выполнять на стенде, приведенном на рис. 2.39.

Настройка схемы заключается в том, чтобы при мощности подключенной нагрузки около 100 Вт при помощи резистора R14 установить на выходе преобразователя ширину импульсов около 25…30% от максимальной (можно контролировать осциллографом непосредственно на одном из выходов микросхемы). При проверке схемы, до подключения силовых транзисторов, лучше сначала при помощи осциллографа убедиться в работоспособности всех узлов и наличии импульсов на выходах.

Необходимый для использования данного преобразователя в качестве электроудочки выходной каскад формирователя импульсов может быть выполнен по одной из ранее описанных схем.