Продолжаем разговор...

Провёл ряд экспериментов со схемой и немного запутался. Множество перепаек, на плате куча лишних деталей. Решил вернуться к старой плате с преобразователем на транзисторах IRF740. Убрал там всё лишнее и оставил самую классическую схему. Вот такую:

Резистор R2 выкинул совсем, стабилитроны – тоже. Просто я подумал: а зачем все эти цепи стабилизации, когда генерация возникает всё равно на половинной резонансной частоте контура?

Исследования цепей стабилизации и регулировки частоты вовсе не закончены. Они ещё пригодятся и будут продолжены. Но сейчас у меня задача – получить напряжение хотя бы 5 киловольт от предельно простой схемы с трансформатором на феррите ETD59 – самый большой из компактных вариантов, которые есть у меня. Обязательно буду использовать схему удвоения – не смогу сделать хорошую изоляцию на 5-7 кВ на таком маленьком трансформаторе. А в масло всё засовывать не хочется.

Трансформатор Т2 намотал на том же сердечнике из феррита 2000НМ1-36 типоразмера 10х6х3. Те же самые 20 витков в три провода. Индуктивность обмотки получилась примерно 150 мкГн. Маловато будет. Похоже, придётся искать кольца диаметром 7 мм. 20-30 витков в три провода в них влезут без проблем, а для обеспечения той же частоты при меньшем сечении феррита можно будет намотать больше витков. Это лучше, так как индуктивность зависит от числа витков квадратично, а нам бы её иметь побольше было бы хорошо. Почему? Давайте прикинем.

Пусть индуктивность обмотки – 200 мкГн. Частота колебаний – 100 килогерц. То есть, 5 микросекунд – одна полярность, 5 следующих микросекунд – другая полярность. Амплитуда импульса пусть – 20 вольт. Вспомним формулу:

                U = LdI/dt.

 Получается, что за пять микросекунд напряжения 20 вольт, приложенного к индуктивности 200 мкГн, ток в этой индуктивности достигнет величины:

                dI = U*dt/L =20 * 5/200 = 0,5 А.

Это немало совсем. Ставим резистор  R1 в 30 Ом и через 5 микросекунд на нём будет выпадать 15 вольт из двадцати имеющихся. Значит, на затворе напряжение снизится до пороговых пяти вольт и транзистор начнёт закрываться безо всякого насыщения. Это грустно.

Можно, конечно, поставить резистор ом в 15-20, но ток в полампера гонять через крошечный трансформатор и тонюсенькие провода не хочется. Надо бы индуктивность увеличить хотя бы раза в два-три. Но порядок величины тока в схеме управления и индуктивностей обмоток мы теперь представляем. Будем работать.

Так вот, При индуктивности дросселя L4, равной 40 мкГн и ёмкости конденсатора С4 в 0,015 мкф преобразователь запустился на частоте примерно 90 кГц и выдавал мощность порядка ста ватт на резистивную нагрузки. Транзисторы без вентилятора были холодными. А осциллограмма получилась такая:

Видим, что на нагрузке примерно в 10 кОм мы получили амплитуду напряжения в 1,76 киловольт!!! Осталось эту переменку выпрямить и удвоить.

А какие получились красивые осциллограммы!!! Рассмотрим поближе фронты напряжения на стоке нижнего транзистора – голубой луч, №2. 

Спад напряжения, то есть – время закрывания верхнего транзистора плюс время открывания нижнего в сумме длятся не более двухсот наносекунд!!!!

И передний фронт импульса – время открывания верхнего транзистора плюс закрывание нижнего тоже не более двухсот наносекунд!!! Видим, что никаких ступенек нет и в помине!!! Просто фантастика и с этим нужно ещё разбираться, конечно. Но, главное, система работает почти идеально. Ничего не греется абсолютно. 

Завтра попробую это красивое почти синусоидальное выходное напряжение выпрямить с удвоением. Если получится, это будет просто здорово. 

Движемся к резонансу...

Включил между точкой OUT и первичной обмоткой силового трансформатора дроссель из литцендрата индуктивностью примерно 95 мкГн, а параллельно первичной обмотке - ещё и конденсатор. Вот, как L4  и C4 на схеме:

Ёмкость конденсатора выбрал 0,022 мкф. Резонансная частота получилась порядка ста килогерц. А преобразователь запустился на частоте 47 килогерц примерно. Регулировка напряжения стабилизации стабилитрона приводила к довольно странным эффектам, их ещё нужно исследовать. Но ясно одно: происходит как бы "затягивание" частоты, что ли и преобразователь запускается на половинной частоте резонансного контура. 

Вот осциллограмма: 

Такое впечатление, что там ещё один контур есть, видимо, с паразитными элементами какими-то. Навскидку это неясно. Будем разбираться. 

Попробую проверить, действительно ли запускается преобразователь на половинной частоте? 

Добавлю параллельно С4 ещё три таких же конденсатора, чтобы частота колебаний снизилась вдвое. Ничего больше не меняю. Получаю вот такую осциллограмму. 

Частота колебаний - примерно 25 килогерц! То есть, как раз в половину резонансной. Причём, как мы видим из нижней (зелёной) осциллограммы, коммутирующий трансформатор уже вошёл в насыщение, а транзисторы не переключились! На первый взгляд, это довольно странно. Нужно и в этом разбираться ещё. Но пока это не так важно, наверное. 

Важно то, что спокойно получили полтора киловольта на выходе, на резисторе в 10 килоом. А коэффициент трансформации - всего пятёрка. Больше семисот пятидесяти вольт получить невозможно напрямую. 

Попробовал ещё выпрямить выходное напряжение с удвоением. Но не получилось. Импортные дисковые конденсаторы на 1000 пФ, 15 киловольт жутко греются на переменном токе. На месте фильтрующих - холодные, а при смене полярности - жуткие потери. 

Нашёл старый советский КВИ-3, 3300 пФ, 10 кВ. Думаю, этот получше будет. Завтра постараюсь проверить его на нагрев. 

Завтра, кроме проверки КВИ-3 в удвоителе напряжения, попробую увеличить частоту раза в полтора. Килогерц бы до семидесяти-восьмидесяти поднять. Можно попробовать получить интересные эффекты. Но это позже, пока ничего не понятно. 

Исправлена схема. На самом деле, сигнал обратной связи поступает всегда прямоугольный, именно с точек OUT и +V/2. Для того и мотался специальный трансформатор обратной связи, чтобы сигнал обратной связи был всегда стандартным, независимо от нагрузок и формирующих цепей в нагрузке. 

По-моему, неплохо получилось.

Начнём с того, что уберём затворные резисторы. В принципе, они здесь не нужны. Резистор, по-хорошему, нужен только в затворе нижнего транзистора, чтобы чуть увеличить длительность первого, запускающего импульса от динистора. Но, как оказалось, его роль совсем не велика. Основное время всё равно обеспечивает обмотка. А в затворе верхнего транзистора резистор стоял для симметрии. Убираем. Точнее, закорачиваем перемычкой. Что видим?

На фронте запускающих импульсов появился пичок – 16,8 вольта. Но полочка осталась, практически, той же. Поэтому частота возросла незначительно – до 43,6 килогерц. Ну и импульс основной стал больше похож на прямоугольный. Посмотрим поближе на время спада.

По-моему, очень неплохо. Максимум – 350 наносекунд. А если отбросить начальную полочку, то и ещё меньше.
Но само по себе не слишком значительное снижение времени закрывания транзистора не так важно. Важно другое – оказывается, не исчерпан ещё запас по управлению транзистором. Не только разрядкой выходной ёмкости всё определяется. Мы видим, что запускающий импульс спадает очень медленно. Как бы его ускорить? Вспомним, что у нас есть такие маленькие штучки – ферритовые бусинки для подавления помех фирмы Мурата. Называются они BL02RN2R1M2B и представляют собой небольшие проволочные скобки в виде буквы «П», на ножки которых надеты ферритовые трубочки. Это – нелинейный элемент. При малом токе индуктивность его довольно велика из-за высокой магнитной проницаемости. Но через некоторое время феррит входит в насыщение и индуктивность падает в сотни раз. Фактически, сопротивление этого элемента в сотни раз быстро падает. Что, если мы поставим эти дроссели для подавления помех в затворы транзисторов преобразователя? Фактически, мы осуществим некоторое «магнитное сжатие» управляющих импульсов и обострим их фронты. Посмотрим, что получится.

Вставим и в затворы транзисторов преобразователя, и в первичную обмотку коммутирующего трансформатора. Вот такая схема получилась: 

А осциллограмма получилась вот такая: 

Видим, что заметно увеличились амплитуды импульсов. Пички на фронтах увеличились до 19,2 вольт. Выросла и частота. Теперь это 53,3 килогерц. 

 Но что же происходит со спадом импульса? На такой развёртке мы не увидим это. Выставим 100 наносекунд на клетку. Что увидим?

По-моему, очень неплохо. Если бы не полочка в 40 вольт в самом начале спада, то фронт вообще был бы меньше100 наносекунд!

Ну, чтобы чуть более наглядно увидеть спад, развёртку сделаем 500 нс. Получается очень красиво. Вот так: 

Видим, что всё портит полочка в начале спада напряжения. Но она вряд ли сильно повышает потери. Напряжение на транзисторе невысокое и потери невелики. А вот основная часть спада очень короткая. Просто идеальная, я думаю. 

Но видно ещё, куда можно двигаться - коммутирующий импульс имеет очень медленный спад. Было бы неплохо что-то сделать и с ним. Но пока хватит, лучшее - враг хорошего. И так всё отлично пока. Завтра займусь включением дросселя в первичную обмотку трансформатора и, возможно, повышением частоты преобразователя. Напряжение поднимать некуда, будем отматывать витки. Витков 5-6 отмотать точно нужно. Наверное, даже больше. 

Хорошо бы получить хотя бы 80 килогерц... Ну, это я  размечтался. Посмотрим. 

Простой вентилятор...

Вот как всё просто оказалось: положил сверху обычный восьмисантиметровый двухваттный двенадцативольтовый вентилятор и весь перегрев сошёл на нет. Радиаторы ключевых транзисторов - холодные, меньше тридцати градусов. Радиатор транзистора "регулируемого стабилитрона" - чуть тёплый, градусов тридцать пять. Резисторы все  - холодные.
Кстати, резисторы тоже заменил. На месте R1, вместо гирлянды резисторов на 36 Ом, 8 ватт поставил один SQP-10 на 47 Ом, а на месте R2 сейчас стоят два MF-2 последовательно суммарным сопротивлением в 22 Ома. Всё работает нормально, но нагрев почти не изменился. Да это и безразлично сейчас - вентилятор всё решает.
Даже частота практически не плывёт. При включении частота была 42,9 килогерца, с прогревом немножко выросла (до 43,6 килогерц), но вентилятор всё решил по-своему: уже полтора часа частота стоит на цифре 41,9 килогерца. Думаю, о лучшем я и мечтать не мог.
Сейчас попробую ещё несколько мелочей проверить и буду двигаться дальше. 

КТ973А не виноват.

Заменил транзистора КТ973А на КТ816В. Пришлось немного подкорректировать номинал резистора R8, чтобы получилось поднять напряжение стабилизации выше тринадцати вольт. Ведь КТ816 – одинарный транзистор, не составной и у него напряжение эмиттер-база в открытом состоянии примерно вдвое ниже, чем у КТ973.
Радиатор оставил тот же – небольшой, но вполне приличный, ребристый. Оказалось, что греется точно так же. Да это же и понятно. Зря я грешил на КТ973. Работают транзисторы в линейном режиме . Просто мощность порядка трёх ватт для такого радиатора довольно велика. Надо либо радиатор ставить раза в два больше, либо ставить вентилятор.
Кстати, о вентиляторе. Хорошая это идея. Я вот грешу на нагрев насыщающегося трансформатора и дрейф частоты преобразователя из-за этого нагрева. Хочу даже термокомпенсацию вводить. На самом деле, в прошлом году уже исследовалась эта термокомпенсация и получена нестабильность частоты меньше процента. Но вот подумалось: а ну её, термокомпенсацию! Может быть, лучше вентилятор поставить? И пусть он остужает этот трансформатор. Надо попробовать завтра.
Ну и на закуску, пару осциллограмм. Чисто для наукообразия. Просто красивые осциллограммы. Ничего нового, но это и хорошо. Всё работает, как часы. Только греется.

Сверху – напряжение на стоке нижнего транзистора. 

Снизу – напряжение на его затворе. Всё чистенько и стабильненько. Частота немного плывёт, но в пределах трёх процентов. Потом стабилизируется. Попробовал просто подуть на трансформатор – снижается немного. Вот и поставлю завтра вентилятор для пробы. 

Ну и как же спадает напряжение на стоке? Рассмотрим поближе: 

Видим, что время спада – порядка пятисот наносекунд. Да, многовато. Надо бы вдвое снизить. Но жить можно. Транзисторы преобразователя греются, но терпимо. Значительно меньше, чем транзистор регулируемого стабилитрона. 

Мощность нагрузки – порядка пятидесяти ватт. Попробую завтра набрать ещё килоом десять. Пусть хотя бы сто ватт мощности будет. И потрогаю транзисторы. 

Почему мы выбираем такие низкоомные резисторы в токоограничении нашего стабилитрона? И зачем мы получаем с нашего трансформатора обратной связи целых 22 вольта, а потом их гасим, да ещё и низкоомными резисторами, грея наш стабилитрон и сами резисторы? 

Во-первых, мы хотим иметь запас по напряжению питания  Будет у нас не 220 вольт, а, скажем, 180. А нашему преобразователю – по барабану. Он будет работать точно так же. 

Во-вторых, это связано с током насыщения трансформатора нашего коммутирующего-насыщающегося. 

Ведь у его первичной обмотки есть ток намагничивания, который линейно растёт всё время, в течение которого к обмотке приложено напряжения. Этот линейно нарастающий ток протекает через резисторы R1  и R2  на затворе транзисторов преобразователя напряжение падает. Если выбрать слишком большие номиналы этих резисторов, то напряжение на затворе может стать ниже порогового напряжения транзисторов  ещё задолго до насыщения сердечника. Следовательно, напряжение на затворе будет падать слишком медленно и транзистор будет медленно закрываться. А нам этого не нужно. У нас и так проблем с закрыванием транзисторов хватает. Только при насыщении сердечника трансформатора индуктивность его обмотки резко падает и падает многократно, что приводит к очень быстрому росту тока намагничивания, следовательно, к более быстрому спаду  напряжения на затворе. Что нам и нужно. 

Конечно, некоторые эксперименты с резисторами более высоких номиналов проводились. Некоторые преимущества есть, конечно. Например, сердечник трансформатора не насыщается, следовательно, не греется и термостабильность преобразователя заметно лучше. Тем не менее, закрывание транзисторов преобразователя происходит заметно медленнее. Это плохо. 

Поэтому для каждого сердечника, и при заметном изменении числа витков обмоток надо бы подбирать резисторы, чтобы убедиться в насыщении сердечника коммутирующего трансформатора. 

А у нас сейчас сердечник маленький, витков много, следовательно, индуктивность обмоток заметно выше, чем была с импортным сердечником диаметром 16 мм. Следовательно, токи намагничивания значительно меньше и можно попробовать увеличить номиналы резисторов R1 и R2 раза в полтора. Это тоже завтра надо будет сделать. Сейчас же что-то жуткое. Транзистор, даже на не самом маленьком радиаторе раскаляется так, что генерация срывается полностью. После остывания транзистора всё начинает работать по-прежнему. Так жить нельзя. Будем решать эту проблему. 

Похоже, что КТ973 не подходит...

Сегодня погонял преобразователь с транзисторным аналогом стабилитрона. Транзистор сейчас стоит типа КТ973А, PNP, составной. Казалось бы, достаточно мощный и высокочастотный. Насколько я помню, максимальный ток коллектора - 4 Ампера и частота единичного усиления - 400 Мегагерц. Не проходит он. Сыграла со мной злую шутку эта частота, да для составного транзистора с минимальным усилением 750... То ли коммутационные потери слишком велики, но греется, как говорится, не по-детски. Даже вполне приличный радиатор не спасает. Десять минут и напряжение стабилизации стабилитрона резко падает, частота тоже падает в разы и прикоснуться к радиатору невозможно совсем. А ведь ток-то всего миллиампер 200 и напряжение вольт пятнадцать, не больше. Откуда такому нагреву взяться?  Завтра попробую подобрать КТ816.
Зачем я гонял сегодня свой преобразователь? Хотел выяснить, сильно ли изменяется частота со временем. Оказалось, что вполне терпимо - процентов на 5-6. С дискретными стабилитронами на 15 вольт, 5 ватт этот уход заметно превышал 15 процентов.
Но и 5-6 многовато. Хотя бы раза в два снизить нужно. Завтра подберу подходящий транзистор и займусь термокомпенсацией. Надеюсь, уже немного проясняется смысл такого транзисторного "стабилитрона"? Если нет, то давайте вспомним вот такую формулу:

U = S*w*dB/dt

К чему это? Возьмём катушку с числом витков w и площадью сечения магнитного сердечника S и допустимым размахом магнитной индукции сердечника dB и приложим к ней напряжение величиной U. Что произойдёт? Какое-то время всё будет нормально. Через катушку начнёт течь линейно нарастающий ток вполне разумной величины и будет это длиться примерно dt времени. А потом сердечник намагнитится до предела и войдёт в насыщение. То есть, его магнитная проницаемость упадёт в сотни раз и ток через катушку начнёт нарастать с гораздо большей скоростью. Именно этот резко нарастающий ток и потечёт через резисторы R1 и R2 нашего узла стабилизации, что вызовет резкое падение напряжения на затворе транзистора и, соответственно, его достаточно резкое закрывание. 

Всё бы было ничего, насыщается и насыщается. Как раз это самое насыщение и обеспечивает нормальную работу нашего самовозбуждающегося преобразователя. Но плохо то, что сердечник, нагреваясь, начинает входить в насыщение раньше, то есть, dt  с нагревом уменьшается и, соответственно, растёт частота переключения преобразователя. А вот это уже плохо во многих случаях. Например, когда мы захотим иметь резонансный режим. В любом случае, это не очень хорошо. Но мы же имеем регулируемый стабилитрон и вполне бы могли немножко уменьшить напряжение при нагреве сердечника, тем самым скомпенсировав этот самый нагрев. 

Именно этим мы и займёмся в дальнейшем. Но, вначале, подберём подходящий транзистор, чтобы не грелся так по-дикому. 

Регулируемый стабилитрон

Нарисовал схему регулируемого стабилитрона, как и обещал вчера. Она получилась довольно громоздкой и по размерам сопоставимой со всем преобразователем. На самом деле, на печатной плате все эти детали занимают не так много места. В любом случае, это место стоит того.

Диоды VD1-VD4 нужны довольно быстрые и выдерживающие несколько сотен миллиампер тока. Неплохим выбором будут диоды Шоттки, скажем, 1N5819. 

Транзистор VT3 - средней мощности прямой проводимости, например, КТ814 или КТ816. Но их придётся подбирать с коэффициентом усиления побольше. Поэтому лучше выбрать составной, КТ973. Его нужно посадить на небольшой радиатор, так как на нём будет рассеиваться минимум пара ватт мощности. Без радиатора он не выдержит. 

DA1 -это регулируемый параллельный стабилизатор TL431 или отечественный, 142ЕН19. 

Резистор R4 - порядка килоома. Номинал значения особого не имеет. А вот номиналы остальных резисторов очень важны. Суммарное их сопротивление (R5+R6+R7+R8) должно быть порядка десяти-пятнадцати килоом. Меньше не стоит, а сильно больше - нельзя. Скажем, при суммарном их сопротивлении порядка ста килоом или больше не будут успевать перезаряжаться паразитные ёмкости и стабилитрон будет работать плохо. 

Резистор R6 совместно с R5 определяет нижний предел стабилизации и его нельзя делать ниже пяти-шести вольт, лучше больше немного. Иначе будут плохо открываться транзисторы преобразователя. А резисторы R7 и R8 определяют верхний предел стабилизации стабилитрона и пределы его регулировки. Это напряжение не должно превышать 16, ну, может быть, 18 вольт. 

Расчёт делается просто, как обычный делитель исходя из того, что у TL431 между управляющим электродом и анодом всегда будет 2,5 вольта. 

Надо ещё учесть падение напряжения на диодах моста, по два диода на каждой полуволне. 

Интересный у нас преобразователь получился. Крутим ручку резистора R7 и меняем частоту генерации преобразователя. Раза в два - запросто. Зачем это нужно? Будем разбираться дальше. 

Следующий шаг - регулировка напряжения управления.

Но вначале перемотаем коммутирующий трансформатор. Советское кольцо 2000НМ1-36 10х6х3. Намотал три обмотки по 33 витка провода диаметром 0,31 мм. Можно и чуть тоньше - токи не слишком велики.

Схема с двумя стабилитронами 15 вольт, 5 ватт. R1 = 36 Ом, R2 = 18 Ом. 

Частота колебаний получилась порядка 54 килогерц, как и предполагалось. 

А вот теперь, вместо двух стабилитронов вставим в схему транзисторный аналог стабилитрона. Естественно, его пришлось включить в диагональ диодного моста, так как транзистор можно включать только в определённой полярности, а запускающие импульсы у нас двуполярные. 

 Вот осцилллограмма: 

Видим, что схема работает внешне точно так же, только частота другая. Здесь это чуть больше тридцати семи килогерц. Почему? А напряжение на затворе - 15 вольт вместо девятнадцати, которые давали наши два стабилитрона. 

Уменьшим немного это напряжение и посмотрим, что получится: 

Частота снизилась до двадцати восьми килогерц, ведь теперь на затворе всего 12 вольт... 

По-моему - неплохо. На всякий случай, посмотрим более внимательно на время спада напряжения на стоке транзисторов: 

Порядка пятисот наносекунд. Многовато, конечно. Но вполне терпимо пока. На частоте в 28 килогерц транзисторы греются гораздо меньше, чем на пятидесяти килогерцах. Но есть, над чем поработать. 

Важно то, что теперь, в этой простой схеме самовозбуждающегося преобразователя мы можем изменять частоту колебаний, просто вращая ручку переменного резистора, совсем как в серьёзной схеме с микросхемой в задающем генераторе. 

Но важно даже не это. Важно, что мы получили некоторую свободу, что ли, и возможность реализовать некоторые нетривиальные решения. Но об этом позже. 

Чуть позже приведу и схему этого "регулируемого стабилитрона". 

А на сегодня хватит пока. 

Не так всё просто и однозначно.

Заменил в преобразователе транзисторы IRF740 на IRF840. Уменьшения времени спада напряжения на стоке не заметил. А вот когда увеличил сопротивление резистора R1 вдвое - с 18 до 36 Ом, то время спада заметно уменьшилось. Почему - совершенно непонятно. Но факт имеет место. Надо разбираться. Но это - позже. Сейчас уже имею время спада напряжения на стоке меньше трёхсот-четырёхсот наносекунд. Да, многовато. Хотя бы вдвое меньше нужно. Лучше - порядка ста наносекунд. Сейчас транзисторы заметно греются. Радиаторы небольшие, конечно, но вполне сопоставимы с радиаторами компьютерных блоков питания, только на каждый транзистор свой. А выходная мощность - порядка пятидесяти ватт или чуть больше. А что будет при двухстах?
Ну, вообще-то, если моя гипотеза верна, то при двухстах ваттах напряжение на стоке будет падать заметно быстрее. Хорошо бы проверить. Но нужна нагрузка соответствующая. И частоту надо уменьшить. Уже за восемьдесят килогерц перевалила. Надо бы не больше пятидесяти. Тогда и коммутационные потери будут поменьше. Нужно перемотать коммутирующий трансформатор и намотать там витков тридцать. Но это, скорее всего - в понедельник. Или завтра заеду? Посмотрим. На сегодня пока всё. 

Пока не забыл!

Вот же ещё способ хоть немного подгрузить выход преобразователя для ускорения разрядки выходной ёмкости транзисторов: у нас же на плате стоит довольно большое кольцо трансформатора обратной связи. Так давайте не будем его использовать впустую почти. Мотаем там дополнительную обмотку или даже больше и делаем вспомогательные источники питания, которые и будут подгружать преобразователь. Например, нам же нужно питать вентилятор? Делаем источник на 12 вольт. А, может быть, даже и два вентилятора?
Нам нужно питать индикаторные лампочки? Нагружаем лампочками тот же двенадцативольтовый источник. Наверняка найдётся ещё что-то. Ну а десятиваттный резистор сопротивлением 5,1 килоома параллельно выходу преобразователя много места на плате не займёт и лишним не будет точно. 

Почему затягивается закрывание транзисторов?

Вчера мы закончили тем, что есть проблема медленного закрывания транзисторов. Вначале я пытался поиграться с цепью затвора - уменьшить резистор, поставить диод параллельно затворному резистору, чтобы разрядка затвора шла мимо резистора. Всё было бесполезно. Решил даже намотать трансформатор на меньшем по размеру кольце - размером 10Х6Х3, марки 2000НМ1-36. Кольцо заметно меньше, поэтому вместо двенадцати-четырнадцати витков, как на импортном кольце, намотал три обмотки по 21 витку. Но и этого оказалось мало. Посмотрим на осциллограммы:

Здесь дифференциальный пробник подключать не стал, а луч под него погасить забыл. Что мы здесь видим нового: 

Во-первых, увеличилась частота. Теперь она порядка 65 килогерц. Мало витков. Надо было витков тридцать мотать. 

Во-вторых, улучшился спад запускающего импульса. Это радует. 

Но спад основного импульса остался прежним, даже, возможно, немного вырос. Это плохо. 

В чём же причина этого "затяжного спада"? На затворе всё чудесно, спад крутой. Что же мешает транзистору быстро закрыться? А что, если это выходная ёмкость транзистора? Смотрим по справочнику - для транзистора IRF740 эта ёмкость примерно 330 пФ. Да ещё ёмкость других элементов схемы - трансформатора, например. Тем более, к нагрузке у нас подключены целых два трансформатора. 

Пусть полная выходная ёмкость - порядка 500 пФ. А сопротивление нагрузки у нас - 20 килоом. С учётом коэффициента трансформации 1:5 транзисторы "думают", что нагрузка равна 800 Ом. Постоянная времени: 500 пФ * 800 Ом = 0,4 мкс. С учётом того, что ёмкость практически полностью разряжается за пять постоянных времени, вот и получили наши 2 микросекунды. Вот оно, в чём дело! 

Но нужно проверить. Подключаем к нашим двадцати килоомам нагрузки ещё гирлянду из резисторов на 20 килоом. В сумме - 10 килоом. Для транзисторов это - 400 Ом. Снимаем осциллограмму ещё раз, немного изменив развёртку. 

Видим, что время спада напряжения уже не две микросекунды, а всего одна! Да, мы на верном пути. 

Добавим ещё гирлянду из резисторов суммарным сопротивлением 600 Ом и присоединим её к первичной обмотке трансформатора, то есть, непосредственно к выходу преобразователя. И снова смотрим, что творится со спадом напряжения: 

Ну что же, как говорится - большой успех советской науки. Время спада - чуть больше пятисот наносекунд. Какие ещё эксперименты нужны для подтверждения нашей гипотезы? 

Хитрая штука получается: при малых токах нагрузки резко увеличивается время спада. Что же делать? Ну, во-первых, не перезакладываться и не ставить слишком мощные транзисторы. Например, можно было вместо IRF740 поставить IRF840, у которых выходная ёмкость не 330 пФ, а 200 пФ. В менее мощной схеме вполне можно было бы обойтись и транзисторами IRF830. У них вообще выходная ёмкость - 100 пФ. 

Да, у них больше сопротивление канала. Ну и что? Нужно искать компромисс. 

Если не слишком важен КПД схемы, то можно пожертвовать несколькими ваттами (или, даже, десятком-другим ватт) и подключить резисторы килоом в пять параллельно выходу. Скажем, три резистора по 5,1 килоом создадут ток около ста миллиампер и чуть ускорят разрядку выходных емкостей при малых нагрузочных токах. Да, ватт пятнадцать нужно будет рассеять. Выбор за конструктором. 

Лучше, наверное, городить специальные цепочки для ускорения разрядки. Или переходить в резонансный режим. 

В общем, широкое поле для экспериментов. 

Ну и параллельно выяснились возможные варианты упрощения схемы. Во-первых, вполне можно выкинуть затворные резисторы. Ток затвора будет ограничиваться резисторами обратной связи. А для отсутствия шунтирования первоначального импульса запуска вполне должно хватить индуктивности трансформатора. Тем более, когда применяем маленькое колечко, то придётся мотать витков тридцать, не меньше. 

Лишней кажется и RC-цепочка, которую мы ставили для "замедления" закрывания нижнего транзистора, для уменьшения эффекта Миллера. У нас и так транзистор медленно закрывается за счёт собственной ёмкости. А эти две детальки сильно мешают при разводке компактной печатной платы. Попробуем без них. 

Ну а пока решил заменить транзисторы IRF740 на IRF840. По-хорошему, время спада напряжения должно уменьшиться раза в полтора. Завтра посмотрим. 

Немного осциллограмм...

Вот и дошёл черёд до осциллограмм. Вначале посмотрим, а чем это наш преобразователь запускается? То есть, самый первый импульс. Вот и он:

Нижний луч, зелёный, это как раз то самое напряжение, которое поступает на затвор нижнего транзистора. Амплитуда-то - всего ничего, каких-то вольт семь. Но ведь запускается же! 

А на верхнем луче мы видим напряжение на стоке нижнего транзистора. Вначале там почти 150 вольт, а потом, под действием запускающего импульса напряжение проваливается вольт до двадцати. Всё, как мы и предполагали. 

Эту осциллограмму мы получили, разорвав цепь обратной связи. Теперь замкнём её и попытаемся запустить преобразователь по-настоящему. Вот оно: 

Верхний луч - напряжение на стоке нижнего транзистора. Это соответствует точке OUT. Напряжение почти равно трёмстам вольтам, когда открывается верхний транзистор, а нижний - закрыт. И почти равно нулю, когда закрывается верхний, но нижний - открыт. Всё, как и ожидалось. 

Нижний луч - напряжение на затворе нижнего транзистора. Видим, что когда напряжение положительное, нижний транзистор открыт и напряжение на его стоке равно нулю. 

Средний луч, жёлтый, №1 - это напряжение между затвором и стоком верхнего транзистора. Видим, что оно строго противофазно напряжению на затворе нижнего. Это напряжение снято с помощью дифференциального пробника Tektronix P5200. Только с помощью дифференциального пробника мы можем одновременно на одном экране видеть два сигнала с разными "землями". И чувствительность этого пробника несколько другая - 25 вольт на деление, а не 20 вольт, как у стандартного пробника. 

Что ещё можно разглядеть на этой осциллограмме? Видим, что транзистор открывается почти мгновенно, но вот закрытие его - это просто катастрофа. Больше микросекунды. 

Рассмотрим это более детально: 

Процесс закрывания транзистора (верхнего) мы можем видеть на верхнем луче. Транзистор закрывается примерно к моменту, помеченному чёрной стрелкой сверху. А всё время, которое происходит спад напряжения, он ещё не совсем закрыт. Причём, мы видим, что напряжение на затворе этого транзистора уже почти равно нулю, а транзистор только начинает закрываться. Это довольно странно. Нужно разбираться. 

Вообще-то я разобрался с этим, но на сегодня - достаточно. Продолжим завтра. 

Продолжаем анализировать полумост.

К сожалению, флешку с осциллограммами забыл на работе. Значит, осциллограммы переносим на завтра.
А пока посмотрим наглядно на упрощённой схеме, как текут токи на выходе.

Первый рисунок отражает ситуацию, когда открыт нижний транзистор. В этом случае точка OUT, практически, имеет потенциал земли. И ток течёт от точки +V/2 к земле. 

Если вести обход контура от точки OUT к точке +V/2, то видим, что ток течёт нам навстречу. Следовательно, это означает, что на первичной обмотке трансформатора Т3 будет отрицательное напряжение амплитудой почти +V/2. 

На втором рисунке изображена ситуация, когда нижний транзистор закрыт, а открыт верхний,  VT1. Значит, потенциал точки OUT будет почти равен +V и ток потечёт от точки OUT к точке +V/2. В этом случае направление обхода контура совпадает с направлением тока, то есть, на первичной обмотке трансформатора Т3 будет положительная полуволна напряжения с амплитудой почти  V - V/2 = V/2. Потом всё повторяется.  Вот и генерация почти прямоугольного напряжения на выходе преобразователя. 

Как мы уже знаем, только самый первый толчок создаёт цепочка запуска из R3, C1 и VS1. Основную "тяжесть" берёт на себя цепь обратной связи, которая организована так, что открывание транзистора VT2 создаёт на его затворе открывающее напряжение, а на затворе VT1 - закрывающее. А вот закрывание VT2 приводит к ещё более быстрому его закрыванию за счёт обратной связи и к открыванию верхнего транзистора, VT1 С этой целью очень важна взаимная фазировка всех обмоток трансформаторов Т1 и Т2. Но особое значение имеет взаимная фазировка обмоток трансформатора Т2, подключенных к затворам транзисторов. За остальными обмотками можно не следить, а просто поменять местами любую пару выводов, если при первом включении преобразователь не запустился. 

Теперь попробуем ответить на вопросы по устройству этой самой обратной связи. 

1. Зачем мы поставили ещё один трансформатор, а не просто намотали ещё одну обмотку на силовом трансформаторе и использовали бы её в качестве обмотки обратной связи, как обычно и делается? Для этого есть две причины.

а) поставив дополнительный трансформатор, мы получили универсальность и модульность. Собрав один раз преобразователь, настроив его, мы можем подключать к нему любой силовой трансформатор, даже уже готовый и не заморачиваться подсчётом витков его первичной обмотки, расчётом своей обмотки обратной связи, намоткой её на уже готовое изделие. Припаяли силовой трансформатор, включили и у нас всё заработало без проблем. 

б) сделав такую схему, мы получили возможность включать в цепь первичной обмотки силового трансформатора дополнительные элементы, например - дроссель, или LC-контур или что-то ещё. В точках подключения нашей обмотки обратной связи всегда будет одно и то же напряжение. Это мы себе гарантировали. 

2. Зачем мы усложнили цепь обратной связи? Зачем-то поставили туда два резистора и два стабилитрона? Все нормальные люди ставят туда резистор и у них всё работает. 

Самое главное - мы в значительной степени стабилизировали частоту нашего преобразователя. Сейчас, какое бы ни было напряжение питания ( в определённых пределах) напряжение обратной связи у нас примерно одно и то же. И мы получили возможность эту частоту регулировать. Скажем, немного изменив напряжение стабилизации стабилитронов, мы можем получить другую частоту. 

Конечно, перепаивать стабилитроны - не выход. Но мы можем поставить вместе обычного стабилитрона его транзисторный аналог и плавно регулировать его напряжение стабилизации обычным переменным резистором. И у нас появляются ещё интересные возможности. Но о них позже, не всё сразу. 

А зачем мы включили два стабилитрона встречно-последовательно? Это должно быть понятно. У нас же переменное напряжение и мы должны использовать двусторонний стабилитрон, у которого напряжение стабилизации было бы одинаковое для любой полярности. 

Естественно, мы можем ограничиться и одним стабилитроном. Но тогда его нужно включить в диагональ диодного моста. То есть, вместо двух стабилитронов можно поставить один, плюс ещё четыре диода. Как удобнее, так и делаем. 

Вот пока и всё на сегодня. Завтра постараюсь не забыть осциллограммы напряжения, снятые в реальной схеме. На них будет виден и импульс первоначального запуска, и напряжения на затворах транзисторов, и напряжение в точке OUT. 

Будут видны процессы открывания и закрывания транзисторов. Но это будет завтра. 

Упрощённая схема полумоста

Попробую упростить схему самовозбуждающегося преобразователя до предела. То есть, уберу из неё все вспомогательные элементы. Скорее всего, как надо схема без них работать не будет, но они только мешают восприятию принципа действия преобразователя. Оставил только те элементы, которые определяют функционирование схемы, без которых она не будет работать вообще и которые задают параметры генерации. Ну и, заодно, при рисовании использовал другую программу. В ней гораздо удобнее рисовать принципиальные схемы, удобно задавать толщину линий, удобно делать надписи нужным шрифтом.
Посмотрим, как здесь будут выглядеть эти схемы:

По-моему, выглядит поинтереснее, чем схема, нарисованная в Eagle. Более контрастно, чётко и более удобно её рисовать. 

А описывать её и приводить осциллограммы буду завтра. Сегодня пораньше лягу спать. 

Пояснения к схеме полумоста

Решил некоторые пояснения дать к схеме - какие применены детали и почему. Хотел привести осциллограмму работы, вроде, даже, сохранил её на флешке, но дома её почему-то не оказалось. Если будет завтра полчаса времени, забегу на работу и щёлкну разок. А пока просто пояснения. Ну и схему немного компактнее подрисовал и сохранил в другом формате. Надеюсь. её будет лучше видно на экране?
Вот эта схема:

Номиналы конденсаторов С1 и С2 выбираются, исходя из тока нагрузки. Чем больше будет ток, тем больше должна быть ёмкость. Для десятка ватт достаточно и 0,047 мкф, а для сотни ватт нужны уже микрофарады. Я как-то закупил плёночные конденсаторы 2,2 мкф на 250 вольт, вот их и использую.
Резисторы R1 и R2  нужно применять одинакового номинала. Они служат для компенсации разброса ёмкостей С1 и С2 и помогают поддерживать в средней точке ровно половину напряжения. Чем меньше номинал, тем лучше. Но без фанатизма, как говорится. Я обычно применяю здесь полуваттные резисторы на 100 килоом. Можно и одноваттные на 47 килоом или около того, если не жалко греть воздух.
Конденсатор С3 нужен для формирования импульса первоначального запуска. Обычно ёмкости 0,01 мкф бывает достаточно. Но я для надёжного запуска использую ёмкость побольше - 0,033 или даже 0,068 мкф. Рабочего напряжения в 100 вольт обычно более, чем достаточно - напряжение больше, чем пробивное напряжение динистора, на нём быть не может.
Резисторы R3 и R4 можно заменить и одним резистором на полватта. Но я обычно ставлю резисторы на 0,25 ватт, поэтому лучше два впослед, так как четвертьваттные резисторы трёхсот вольт не выдержат долго.
Номинал их - порядка сто килоом каждый или побольше. От этого будет зависеть частота повторения запускающих импульсов. У меня в последнем варианте два резистора по 300 килоом и конденсатор на 0,068 мкф. Частота повторения импульсов запуска получилась чуть больше двухсот герц.
Трансформатор Т1 рассчитывать довольно просто. На его первичной обмотке будет то плюс 150 вольт, то минус 150 вольт. Для простоты возьмём какой-нибудь электронный трансформатор для питания галогенок, типа Ташибры и посмотрим на его трансформатор. Обычно там кольцо внешним диаметром порядка 25-30 мм или около того. Считаем число витков вторички. Эти витки обеспечивают примерно 11-12 вольт на выходе трансформатора. А на его первичке будут те же плюс-минус 150 вольт. Вот и сможем сказать, сколько там витков в первичке. Выбираем материал своего трансформатора. У меня это кольцо диаметром 25 миллиметров из феррита N87 в синей изоляции. Покупал, по-моему, в Платане. Получилось примерно 150 витков в первичке. Если намотается чуть меньше или чуть больше - не так важно. Не войдёт трансформатор в насыщение, феррит хороший и у него есть хороший запас по индукции. Главное - обеспечить нужное напряжение на вторичке. 150 витков удобно для расчёта. Получается примерно 1 виток на вольт.
А на вторичке нам нужно получить вольт двадцать или чуть больше. Значит, мотаем витков двадцать или чуть больше на вторичную обмотку. Диаметр провода значения не имеет - лишь бы поместился на кольце. Токи там небольшие будут течь.
Стабилитроны я ставлю импортные, на 15 вольт и 5 ватт. Включать их нужно встречно-последовательно, чтобы они работали при любой полярности.
Резисторы R5 и R6 нужно выбирать примерно ом на 15-30 каждый. Двухваттных будет мало - греются сильно. Пятиваттные должны справиться. Номиналы этих резисторов во многом определяют режимы переключения транзисторов, поэтому лучше их потом подобрать по форме осциллограмм и по частоте.
Трансформатор Т2 тоже легко посчитать или, лучше, подобрать немного число витков потом. Я использую кольцо диаметром 16 мм из того же N87 в той же синей изоляции. Можно и меньше. Скажем, 10 мм. Просто не было подходящих. Старые советские 2000НМ на 10 мм работали значительно хуже. Но, может быть, я просто тогда "не умел их готовить"?
Обмотки, которые идут на затворы транзисторов, должны быть намотаны одновременно, в два провода, чтобы давать одинаковое напряжение и обязательно должны иметь метки, какой вывод начало, а какой - конец. Первичную обмотку можно намотать и потом. А можно мотать и в три провода, всё равно удобно выбирать коэффициент трансформации примерно единицу.
Затворные резисторы - ом по 30-100. Точный номинал значения не имеет. Но меньше тридцати ом точно выбирать их не стоит - они будут сильно шунтировать запускающий импульс от динистора. И слишком большие тоже не нужны. Через них же заряжается входная ёмкость транзисторов, которая обычно не меньше тысячи пикофарад. Если мы поставим резисторы на килоом, скажем, то время зарядки затвора будет составлять микросекунды. Это очень плохо.
Динистор - самый простой и дешёвый, DB3. Он двусторонний, поэтому можно ставить, не задумываясь о полярности.
Диод VD3 - очень полезный, хотя, в принципе, можно обойтись и без него. Его роль - разряжать пусковой конденсатор С3 через открытый нижний транзистор полумоста. Если его не будет, тогда преобразователь будет регулярно перезапускаться с частотой в десятки или сотни герц. Зачем это нужно?
Стабилитроны VD4, VD5 и VD6, VD7  защищают затвор от помех, ведь пробивное напряжение затвора обычно не выше двадцати вольт. Выбираем их вольт на 15-18 и затворы будут защищены. Обязательно нужно включать их парами встречно-последовательно, иначе закрывающее напряжение на затворе будет сильно шунтироваться низким прямым напряжением стабилитрона.
Цепочка R9C4 тоже важна. Мы же видим, что транзисторы в полумосте работают в разных схемах включения. Верхний - это просто истоковый повторитель, а нижний - схема с общим истоком и она усиливает напряжение. То есть, в ней проявляется эффект Миллера. Поэтому лучше хоть немного снизить скорость нарастания напряжения на стоке. Вот эта цепочка и занимается таким "подтормаживанием".
Ёмкость C4  лучше бы выбрать в 1000 пикофарад, но тогда двухваттного резистора не хватит. Я ставил четырёхваттный керамический, но и он раскалялся так, что не прикоснуться. Поэтому сейчас я ставлю конденсатор на 470 пФ и обхожусь двухваттным резистором R9. Конденсатор, естественно, нужен качественный керамический.
Диоды VD8 и VD9 в маломощных схемах и схемах с низкой индуктивностью нагрузки и трансформатора можно не ставить - вполне справятся диоды, встроенные в транзисторы. Но в мощных схемах и схемах с индуктивными нагрузками без них не обойтись. Они помогают сбрасывать энергию, накопленную в трансформаторе и нагрузке, в источник питания. Транзисторы меньше греются - проверено.
Вот примерно и всё, что следует учитывать, при выборе деталей преобразователя. 

Полумостовой самовозбуждающийся преобразователь

За последние годы я довольно много разных схем исследовал и изготовил. Однако описывать их у меня почему-то не получается. Попробую начать заполнять этот пробел. Когда я смогу просто и понятно объяснить работу схемы, я и сам лучше буду понимать принцип её работы.
Начну вот с такой схемы:

Это простейшая схема полумостового самовозбуждающегося преобразователя на полевых транзисторах. Особенности этой схемы две: введение цепи стабилизации частоты и получение сигнала обратной связи не с силового трансформатора, а со вспомогательного трансформатора Т1, первичная обмотка которого подключена к выходным клеммам преобразователя. Смысл всего этого я постараюсь объяснить позже. 

Попробую объяснить, как эта схема работает. 

Сетевое напряжение поступает на клеммы XS2-1 и XS2-2, выпрямляется диодным мостом VD10 и заряжает конденсатор С5 и последовательно соединённые конденсаторы С1 и С2 до амплитудного напряжения сети (чуть больше трёхсот вольт). Для простоты примем его равным +300 вольт относительно нижней (отрицательной) шины. На рисунке мы обозначили это напряжение +V. 

Поскольку мы выбрали конденсаторы С1 и С2 одинаковыми, то в точке их соединения напряжение всегда будет равно половине полного напряжения. На схеме обозначили эту точку +V/2. Приблизительно оно будет равно +150 вольт так же относительно нижней (отрицательной) шины питания. 

Поскольку точка соединения стока транзистора VT2 и истока VT1, обозначенная на схеме словом OUT соединена со средней точкой конденсаторов С1 и С2 через обмотку трансформатора Т1, имеющую очень малое сопротивление постоянному току, то и точка OUT будет иметь напряжение +150 вольт. То есть, после включения питания и зарядки конденсаторов всё "устаканивается" и напряжения во всех точках схемы будут неизменны. Ну, почти во всех. 

А как же преобразователь запускается? Для этого предназначена цепочка из резисторов R3 и R4, конденсатора С3 и динистора VS1. После включения питания конденсатор С3 тоже начинает заряжаться и, как только напряжение на нём превысит напряжение открывания динистора VS1, равное приблизительно 35 вольт, так динистор откроется, подав открывающий импульс на затвор транзистора VT2. 

Реально этот импульс не будет слишком уж большим, поскольку параллельно затвору подключена обмотка трансформатора Т2 через резистор R8. Ну и к другим обмоткам этого трансформатора ещё много, чего подключено. Тем не менее, транзистор VT2 начинает приоткрываться. Это значит, напряжение на его стоке относительно отрицательной шины и его истока начинает уменьшаться (не забываем, что вначале там было +150 вольт). 

Фактически, это означает, что к первичной обмотке трансформатора Т1, подключенной к клеммам XS1-1  и XS1-2, оказывается приложен отрицательный импульс. Фазировка обмоток трансформаторов Т1 и Т2 подобрана так, чтобы этот отрицательный импульс вызывал положительный, открывающий импульс на затворе транзистора VT2. На самом деле, заморачиваться с согласованием фазировок всех обмоток смысла особого нет. Главное, чтобы вторичные обмотки трансформатора Т2 были включены в противофазе. А поменять местами концы любой из оставшихся обмоток трансформаторов несложно, если преобразователь не запустится при первом включении. 

Таким образом, формируется положительная обратная связь, открывающая транзистор VT2 и транзистор открывается лавинообразно. И долго ли он будет открытым? А уж вот это определяет трансформатор Т2 совместно с цепочкой из двух резисторов R5 и R6 и двух стабилитронов VD1 и  VD2. 

Видим, что к первичной обмотке трансформатора Т2 оказывается приложен прямоугольный импульс напряжения, амплитуда которого определяется напряжением стабилизации двух стабилитронов VD1  и VD2, которую удобно выбрать порядка 15 вольт. Пока трансформатор Т2 не вошёл в насыщение, ток через него невелик. Главным образом, это ток зарядки ёмкости затвора транзистора и небольшой ток намагничивания этого трансформатора. Но, как только сердечник трансформатора начинает насыщаться, ток намагничивания резко возрастает. Этот ток проходит через резистор R6 и вызывает резкое увеличение падения напряжения на нём. Следовательно, напряжение на затворе резко уменьшается. И, как только оно приблизится к пороговому напряжению затвора транзистора, так транзистор начинает закрываться. 

Что это значит? Значит, что напряжение на его коллекторе начинает расти. Фактически, это означает, что к затвору этого транзистора начинает прикладываться не положительное, а отрицательное напряжение, то есть, закрывающее. И транзистор начинает лавинообразно закрываться. 

Но мы же видим, что полярность напряжения на другой вторичной обмотке, которая подключена к затвору верхнего транзистора VT1 противоположна. То есть, закрывающее для транзистора VT2 напряжение является открывающим для транзистора VT1!!! То есть, теперь, параллельно с закрыванием нижнего транзистора, идёт ещё и открывание верхнего, то есть, напряжение в точке OUT начинает стремиться не к нулю, а к +V, то есть, к трёмстам вольтам!!! Ну и всё повторяется, теперь уже для верхнего транзистора - насыщение сердечника T2 теперь уже в другую сторону приводит к закрыванию верхнего транзистора и открыванию нижнего. Начинают работать "качели". То есть, преобразователь начинает выдавать последовательность прямоугольных импульсов напряжения на своём выходе. И цепь первоначального запуска с конденсатором С3 больше ему не требуется. 

Это в двух словах, в самом общем смысле. Как и зачем нужна цепочка, стабилизирующая частоту и зачем мы ввели в схему ещё один трансформатор, Т1, хотя могли бы просто намотать одну небольшую обмотку на силовом трансформаторе, мы обсудим в следующий раз. 

Возвращаюсь и в этот блог.

Сто лет не был здесь. Но я не умер, нет. И работа у меня потихоньку движется. Постараюсь здесь размещать свои заметки о своих разработках, свои расчёты, идеи, ссылки на интересные сайты и статьи.
 В любом случае, появляться буду гораздо чаще, чем раз в несколько лет. ;-))