Одно из самых популярных современных схемотехнических решений для усилителей класса D — полумостовая схема. Для управления выходными транзисторами такой схемы были разработаны специализированные драйверы серии IR2104 - IR2109 - IR2184 и другие им подобные. При всех преимуществах этих устройств они не имеют цепей генерации, фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и защиты. Такие решения необходимы для резонансных преобразователей напряжения, например, DC-DC преобразователей, генераторов для трансформатора Тесла и устройств для создания большой реактивной мощности.

Предлагаемая в этой работе схема стабильно генерирует и поддерживает необходимую для резонанса фазу тока в широком диапазоне частот и большом разбросе параметров выходных цепей. Также схема имеет регулируемую защиту по току. Например, при указанных на схеме данных задающей цепи она может захватывать и удерживать частоту в диапазоне 8-25 кГц и регулировать ток страбатывания защиты в диапазоне 1-10 А. При этом, указанные диапазоны могут быть легко изменены на любые другие простой заменой задающей RC-цепи. Напряжение питания может меняться от 24 до 50 В, которое, при соответствующих заменах резисторов питания, также может иметь другой диапазон (рис. 1).

Рис.1. Принципиальная схема полумостового драйвера с генератором, ФАПЧ и защитой по току

Сердцем схемы является микросхема DD1, которая содержит в себе генератор с ФАПЧ 74HC4046. На своём 4 выводе она вырабатывает прямоугольные импульсы, которые поступают на вход драйвера DA1. Но до этого микросхема производит захват частоты и фазы выходных токовых импульсов и таким образом настраивает всю схему в резонанс. Делается это при помощи токового трансформатора TA1, который формирует на своём выходе импульсы напряжения, пропорциональные протекающему через него току. Эти импульсы поступают на вход аналогово компаратора DA3.2, а с него — на вход фазового компаратора, сравнивающего эти импульсы с теми, которые он сам генерирует. На его выходе формируется сигнал пропорциональный разности фаз двух сравниваемых импульсов, которые проходят через НЧ-фильтр R8C6 и корректируют частоту и фазу задющего генератора. При захвате частоты и фазы микросхема сигнализирует положительным потенциалом на выходе FC, а значит и свечением светодиода VD6. Начальная частота генератора в этой микросхеме задаётся конденсатором C3, который, к слову, можно пропорционально менять для других диапазонов работы схемы. Корректируется частота и захват фазы подстроечными сопротивлениями R7, R12.

Полученные импульсы усиливаются драйвером нижнего и вернего плеча DA1 и выходными транзисторными ключами VT1 и VT2. В сток последнего включены два низкоомных сопротивления R3-R4, на верхнем выводе (по схеме) которых формируется положительное напряжение, пропорциональное проходящему через них току. При превышении некоторого значения, регулируемого R5, срабатывает аналоговый компаратор DA3.1 и запирает управляющий вход SD драйвера DA1, после чего выходные транзисторы отключаются на время, определяемое цепочкой R18C13, а через транзистор, включённый здесь по схеме эмиттерного повторителя, VT3 загорается светодиод VD7. Так происходит защита схемы по выходному току, защищающая выходные транзисторы и сам драйвер.

Два необходимых для схемы внутренних напряжения питания получаются с помощью мощных сопротивлений R16-R17 и стабилитрона ZD1 (+12V), стабилизатора напряжения DA2 (+5V). R16-R17 выбраны для напряжения питания схемы — 48V, и могут быть пропорционально изменены для других значений. Необходимо только добавить, что если питающее напряжение будет более 100V, то вместо этих сопротивлений более рационально — применение маломощного DC-DC преобразователя на 12V.

Предложенное схемотехническое решение (рис. 1) является развитием хорошо себя зарекомендовавшего аналога прерывателя искры с ФАПЧ.

Рис.2. Различные варианты включения генератора GG1

Стандартное включение схемы на рисунке 1 представлено на рисунке 2a, где она условно обозначена GG1. К ней подключается резонансная ёмкость Cr и индуктивность Lr. Например, для высокоэффективного DC-DC преобразователя подойдёт схема на рисунке 2b, где активная нагрузка Rn подключается непосредственно параллельно индуктивности. Можно поступить и наоборот: поменять местами Lr и Cr, а нагрузку подключить параллельно резонансной ёмкости. Если же в устройстве требуется гальваническая развязка между источником питания и выходом, то применяется катушка со вторичной обмоткой: резонансный трансформатор (рис 2c).

Перечень элементов схемы. В скобках приводятся допустимые замены:

• DA1 — драйвер полумоста IR2104 или IR2109. Можно применить драйвер IR2184, но нельзя при этом забывать, что у него немного другая распиновка выводов;
• DA2 — стабилизатор напряжения на 5 вольт L7805;
• DA3 — два аналоговых компаратора в одном корпусе LM393P;
• DD1 — микросхема генератора с ФАПЧ 74HC4046;
• VT1-VT2 — mosfet-транзисторы. При напряжении питания схемы до 80V отлично работают IRFP4568 (IRFP260), более 80V — лучше подходят 47N60 или им подобные;
• VT3 — p-n-p транзистор S8550;
• VD1-VD5 — диоды UF4007;
• VD6-VD7 — светодиоды зелёного и красного цвета свечения;
• ZD1 — супрессор однонаправленный 1.5KE12A;
• TA1 — токовый трансформатор ACST-002. Для других марок — необходимо подобрать R14, R15 и C7;
• R3-R4 — сопротивления 0.1 Ом и мощностью 5 Вт;
• R15-R17 — сопротивления мощностью 2 Вт;
• C7, C10, C14 — полипропиленовые конденсаторы с рабочим напряжением 250-400V;

Схема должна быть подключена к нагрузке по рисунку 2. Настройку схемы нужно начать с относильно небольшого напряжения питания, например, 24V. При этом, подстроечное сопротивление R5 нужно вывести в крайнее правое (по схеме) положение. Вращая подстроечные сопротивления R7 и R12, необходимо получить на нагрузке устройчивые синусоидальные колебания. После этого можно увеличить напряжение питания до рабочего значения, а сопротивлением R5 выставить ток срабатывания защиты, например, уменьшая сопротивление нагрузки Rn.

Представленная здесь схема работает очень стабильно и надёжно, но можно ли убрать из неё некоторые элементы и упростить её? В следующей части этой заметки мы предложим именно такой схемотехнический вариант генератора с ФАПЧ, собранный всего на одной микросхеме полумостового драйвера, защита которой будет построена на несколько других принципах.