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.