В этой заметке мы предложим вам новый взгляд на ставший уже классическим полумостовой драйвер типа IR2104 - IR2109 - IR2184, возможности которого не исчерпываются паспортными данными, предполагающие исключительно усиление входного сигнала. Мы полностью раскроем его потенциал, и научимся делать из этого драйвера генератор с ФАПЧ и усилитель с защитой — в одном лице! Полученные здесь схемы подойдут для генераторов, повышающих преобразователей, инверторов и других устройств, где требуется получить резонанс в выходной индуктивной (трансформаторной) цепи. Схемы можно применять и для возбуждения трансформатора Тесла, но с некоторыми условиями, описанными ниже.

Известен самый простой способ получить автоматический резонанс в выходном трансформаторе — это схема ZVS-драйвера. Недостатком такого решения будет сложный запуск, отсутствие защиты и большие потери в дросселях этого драйвера. Более совершенной схемотехникой обладает полумостовой драйвер, который отличается отсутствием указанных недочётов. Но по заявленным паспортным характеристикам он не работает как генератор, тем более, как резонансный. К такому драйверу требуется обвязка из нескольких микросхем, одна из которых представляет собой устройство ФАПЧ. Об этом варианте мы рассказывали в предыдущей части этой работы. Здесь же мы попробуем обойтись более простыми решениями и для этого введём в схему драйвера две обратных связи: PH180 и PH0 (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема обвязки полумостового драйвера с генератором и ФАПЧ

PH180 будет обеспечивать отрицательную обратную связь для поддержания неустойчивого состояния схемы, а PH0 — положительную обратную связь для создания генераторного режима. Для последнего — необходимо значение тока в выходной цепи, что может обеспечить токовый трансформатор TA1. Общая задача при этом — сделать положительную обратнаую связь сильнее отрицательной. А поскольку на входе IN, внутри микросхемы DA1, установлены гистерезисные пороговые элементы, то плавные изменения напряжения на нём не приведут к неопределённым состояниям на выходе: на выходных транзисторах VT1-VT2. Это нам и нужно.

Также, нужно учесть и возможные резкие изменении нагрузки, которые при резонансных состояниях на выходе схемы могут дать сильные перепады напряжения. В этом случае необходимо защитить выходные транзисторы и микросхему DA1. Это можно сделать введя обратную свзязь, которая включается в центральную точку последовательной цепи, включаемой на выход схемы, состоящей из ёмкости Cr и индуктивности Lr (рис. 2). Такая обратная связь здесь представлена в виде блока PR1. Его задача — достаточно быстро реагировать на превышение порогового напряжения и отключать выходные транзисторы, после чего удерживать защиту определённое количество периодов.

Рис.2. Структурная схема обвязки полумостового драйвера с генератором, ФАПЧ и защитой от перенапряжений

Реализация предложенных выше обратных связей на практике выглядит следующим образом. PH180 можно выполнить на транзисторе VT3, который через резистор R5 подключается к выходу полумоста и инвертирует этот сигнал (рис. 3). Этим самым поддерживается неустойчивый режим драйвера, являющийся необходимым условием для генерации. Сама же генерация происходит за счёт цепочки обратной связи, состоящей из токового трансформатора TA1, и фазосдвигающей цепи R4C4. Поскольку выход полумостовой схемы будет подключаться к резонансной нагрузке из последовательно соединённых ёмкости и индуктивности, то для положительной обратной связи, которая будет способствовать максимальному резонансу, необходимо контролировать ток, что и делает токовый трансформатор. Но при резонансе ток сдвинут относительно напряжения на 90 градусов, следовательно напряжение на TA1 будет иметь такой же сдвиг (рис. 7). Этот сдвиг компенсирует цепочка из последовательно соединённых R4-C4, после чего поступает на вход IN драйвера, который дополнительно защищён от перенапряжений стабилитроном ZD2. Таким образом реализуется обратная связь PH0.

Рис.3. Принципиальная схема полумостового генератора с ФАПЧ

Если защита от перенапряжений не требуется, то схемотехники генератора (рис. 3) на практике оказывается вполне достаточно. Она может применяться в устройствах, в которых нагрузка постоянна. Там же, где сопротивление нагрузки может меняться, необходимо применить защиту: блок PR1 из рисунка 2. Это можно сделать на одном транзисторе VT4, который через цепочку из сопротивлений R10-R13 будет подключаться к нагрузке (рис. 4). При его открывании инверсный вход SD драйвера DA1 будет отключать выходные транзисторы. Светодиод VD4 индицирует процесс защиты, а конденсатор C8 поддерживает отключение схемы на несколько десятков миллисекунд.

Рис.4. Принципиальная схема полумостового генератора с ФАПЧ и защитой по напряжению

Вместо одного сопротивления в цепи обратной связи защиты, применяется три последовательно включённых резистора R11-R13, т.к. напряжение в точке их подключения может достигать довольно больших значений.

Стандартное включение полученного выше генератора представлено на рисунке 5a. Там он изображён в виде блока GG1. К его выходу XS4-XS4 подключается резонансная нагрузка, состоящая из ёмкости Cr и индуктивности Lr, а вход XS5 включается между ними для контроля напряжения и защиты. К слову, в этих схемах Cr и Lr можно менять местами.

На рисунке 5b изображена схема DC-DC преобразователя 24V - 220V. Например, при Lr = 800 uH, Cr = 0.2 uF он преобразует питающее напряжение 24V в сетевое — 220V, при мощности активной нагрузки Rn — 200 Вт и достаточно высоком КПД. При использовании замкнутого магнитопровода в качестве сердечника катушки Lr, в нём необходимо сделать небольшой зазор 1-2 мм.

Рис.5. Различные варианты включения генератора GG1

Вообще говоря, с указанной ниже элементной базой и данными номиналами — TA1, R3, R4, C4 — эти схемы хорошо работают с ёмкостью Cr в диапазоне 0.1 .. 0.5 мкФ, и с индуктивностью Lr — 0.25 .. 1 мГн. При других параметрах Cr, Lr или TA1 нужно подобрать R3, R4, C4. Также стоит обратить внимание, что при больших токах через эти элементы, конденсатор Cr должен быть рассчитан на соответствующую реактивную мощность, а диаметр провода индуктивности Lr — на соответствующий ток.

На фото 6 и 7 изображены осциллограммы процессов, происходящих в подключённой к нагрузке схеме, например по рис. 5b. Для получения фото 6 синий щуп осциллографа подключается к выходу XS4, а жёлтый — к средней точке между Cr и Ls. Делитель щупа синего луча установлен на 1:10, жёлтого - 1:100. Напряжение питания схемы 41V, активная нагрузка Rn не подключена. Как мы видим из этого фото, амплитуда напряжения на реактивных элементах приблизительно в 15 раз выше напряжения питания. Этот режим, к слову, можно применять исследователям для экспериментов, где требуется получить большую реактивную энергию в контуре.

Рис.6. Напряжение на выходе схемы (синий луч) и напряжение в резонансном контуре (жёлтый луч)

Рис.7. Напряжение в резонансном контуре (жёлтый луч) и напряжение на токовом трансформаторе (синий луч)

Изображение на рисунке 7 можно получить, если подключить синий луч осциллографа к выходу токового трансформатора TA1. Здесь очень хорошо виден резонансный режим работы устройства: ток в резонансном контуре сдвинут относительно напряжения на 90 градусов.

Ещё один вариант схемы представлен на рисунке 8. Изменению здесь подлежали марка микросхемы драйвера DA1, которая иммеет немного другую распиновку выводов, и способ получения внутреннего питания +12V за счёт введения стабилизатора напряжения DA2. Преимущество такого включения — меньший нагрев гасящего сопротивления R8, а значит — чуть больший КПД всего устройства.

Рис.8. Принципиальная схема полумостового генератора с ФАПЧ и защитой по напряжению (второй вариант)

Именно этот вариант схемы предлагается ниже в качестве промышленного варианта.

Перечень элементов схемы. В скобках приводятся допустимые замены:

• DA1 — драйвер полумоста: IR2104 или IR2109 — для схемы 3 и 4, IR2184 (IRS2184) — для схемы 8;
• DA2 (для схемы 8) — стабилизатор напряжения на 12 вольт L7812;
• VT1-VT2 — mosfet-транзисторы. При напряжении питания схемы до 80V отлично работают IRFP4568 (IRFP260), более 80V — лучше подходят 47N60 или им подобные;
• VT3-VT4 — n-p-n транзисторы S8050;
• VD1-VD3 — диоды UF4007;
• VD4 — светодиод красного цвета свечения;
• ZD1-ZD2 — супрессоры однонаправленные 1.5KE12A. На схеме 8 в качестве ZD1 выступает 1.5KE33A;
• TA1 — токовый трансформатор ACST-003. Для других марок — необходимо подобрать R3, R4 и C4;
• R3, R4, R8 — сопротивления мощностью 2 Вт;
• C4, C6, C7 — полипропиленовые конденсаторы с рабочим напряжением 250-400V;

Схема должна быть подключена к нагрузке по рисунку 5. Необходимо начать тестирование схемы с относительно небольших значений питающего напряжения, например, с 24V. При этом, на нагрузке должны появиться устойчивые синусоидальные колебания. Если этого не происходит, значит Lr или Cr выбраны неправильно и потребуется подбор R3, R4 и C4. Как вариант, может быть неправильно ключён токовый трансформатор, тогда его выводы нужно просто поменять местами. После получения колебаний, необходимо увеличить напряжение питания до рабочих значений, а подстроечным сопротивлением R10 выставить срабатывание защиты. Это можно сделать, например, отключив нагрузку Rn, после чего напряжение в месте подключения Lr и Cr резко подскочит. Его и органичивает схема защиты.