ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ РАДИОУПРАВЛЯЕМОЙ МОДЕЛИ

Существенное преимущество использования электродвигателей на повышенное напряжение — уменьшенный потребляемый ток, что облегчает требования к транзисторам выходных каскадов сервоприводов рулевых машинок и регуляторов хода. Повышается КПД узлов управления двигателей, что экономит ограниченные энергетические ресурсы, имеющиеся на борту модели.

Разработанный преобразователь напряжения позволяет применять электродвигатели с номинальным напряжение 24...27 В совместно с аппаратурой радиоуправления [1]. Для рулевых машинок моделей неплохо подходят, например, двигатели серии ДПР с полым ротором, имеющие малую инерционность при трогании с места и реверсировании. Сервоусилители регулятора хода и рулевой машинки должны быть построены в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2]. Как автономное устройство, данный преобразователь напряжения можно использовать и в других целях.

Схема устройства изображена на рис. 1. Это — так называемый обратноходовый инвертор с широтно-импульсной стабилизацией выходного напряжения, отличающийся высоким КПД. При входном напряжении 4,5...9 В стабилизированное выходное напряжение может быть установлено любым в пределах 18...27 В, изменяясь не более чем на 0,1 В при увеличении тока нагрузки от 1 до 500 мА. КПД преобразователя с полной нагрузкой — 85 %.

Увеличить

Эпюры напряжения в характерных точках схемы, приведенные на рис. 2, получены на компьютерной модели устройства с помощью программы Micro-Cap 6.22 и полностью совпадают с осциллограммами сигналов в реальном преобразователе.

Задающий генератор на элементах DD1.1 и DD1.2 вырабатывает прямоугольные импульсы. На входы 8, 9 элемента DD1.3 они поступают продифференцированными цепью C3R2R3. Номиналы резисторов R2 и R3 выбраны с таким расчетом, что постоянная составляющая напряжения в точке их соединения несколько превышает пороговый уровень Un, при котором элемент DD1.3 изменяет свое состояние. Отрицательные выбросы, пересекая порог, формируют на выходе элемента DD1.3 (вывод 10) короткие положительные импульсы. Последние заряжают конденсатор С5 через малое прямое сопротивление участка база-эмиттер транзистора VT2.

По окончании импульса левая (по схеме) обкладка конденсатора С5 оказывается соединенной с общим проводом, а напряжение, до которого зарядился конденсатор, — приложенным к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности, закрывая его. Далее начинается перезарядка конденсатора С5 коллекторным током транзистора VT1. Скорость этого процесса зависит от напряжения на базе VT1. Транзистор VT2 остается закрытым, пока напряжение на его базе не достигнет приблизительно 0,8 В. В результате длительность положительных импульсов на коллекторе VT2 и входах 12, 13 элемента DD1.4 зависит от режима работы транзистора VT1. Дважды проинвертированные элементом DD1.4 и транзистором VT3 импульсы открывают силовой ключ — полевой транзистор VT4.

Увеличить

При открытом транзисторе VT4 ток в катушке индуктивности L1 нарастает по линейному закону. После закрывания транзистора этот ток не прерывается, продолжает течь, спадая, через диод VD1 и заряжает накопительный конденсатор С8. Установившееся напряжение на этом конденсаторе превышает напряжение питания во столько раз, во сколько время накопления энергии в магнитном поле катушки L1 (длительность положительных импульсов на затворе транзистора VT4, см. рис. 2) превышает время ее передачи в конденсатор С8 (длительность пауз между импульсами там же).

Часть выходного напряжения с движка подстроечного резистора R14 поступает на инвертирующий вход усилителя постоянного тока на ОУ DA2. На его неинвертирующий вход подано с резистивного делителя R4R5 образцовое напряжение. Выходное напряжение ОУ, пропорциональное разности образцового и выходного (с учетом делителя R13R14) напряжения, поступает на базу транзистора VT1 и управляет длительностью импульсов, открывающих транзистор VT4. Таким образом образуется замкнутая цепь автоматического регулирования.

Если выходное напряжение снизилось (например, в результате увеличения тока нагрузки), напряжение на инвертирующем входе ОУ уменьшится, а на его выходе — увеличится. В результате упадет эмиттерный ток транзистора VT1, протекающий через резистор R8, а вместе с ним — и коллекторный. Конденсатор С5 будет перезаряжаться медленнее. Длительность открытого состояния транзистора VT4 возрастет, выходное напряжение преобразователя увеличится.

Напряжение питания основных узлов преобразователя стабилизировано интегральным стабилизатором DA1.

Устройство собрано на односторонней печатной плате размерами 70x55 мм, показанной на рис. 3. Подстроечный резистор R14 — СПЗ-38Б или РП1-63М. Остальные пассивные элементы — любого типа, подходящие по параметрам и габаритам.

В качестве микросхемы DD1, кроме К561ЛА7, можно использовать К561ТЛ1, прочие микросхемы серии К561 при напряжении питания 3 В работают неустойчиво. По той же причине не следует заменять микросхему К140УД608 (DA2) другими ОУ. Транзисторы VT2, VT3 могут быть любыми серии КТ315 или КТ3102, aVT1 — серий КТ361, КТ3107.

КПД преобразователя заметно зависит от падений напряжения на диоде VD1 и на открытом транзисторе VT4. Последнее пропорционально приводимому в справочниках сопротивлению канала открытого транзистора. Поэтому, подбирая замены указанным транзистору и диоду, следует обращать особенное внимание на эти параметры, выбирая приборы, у которых они минимальны. Напряжение отсечки полевого транзистора должно быть не более 4 В. Амплитудное значение коммутируемого им тока в рассматриваемом случае значительно больше тока нагрузки, поэтому транзистор следует выбирать с допустимым током стока не менее 6 А. Если под нагрузкой транзистор VT4 заметно нагревается, его необходимо снабдить теплоотводом, место для которого на плате предусмотрено. Диод VD1 должен быть рассчитан на прямой ток не менее 10 А. Указанный на схеме КД2998В можно заменить на КД213А.

Катушка L1 индуктивностью 18...20 мкГн должна иметь малый магнитный поток рассеивания, поэтому для нее выбран броневой магнитопровод Б-26 из феррита М1500НМ. Обмотку из пяти витков жесткого изолированного провода диаметром 1,5...2 мм наматывают на оправке подходящего диаметра, сняв с оправки, защищают слоем изоляционной ленты и помещают в магнитопровод. Между его чашками необходим немагнитный зазор 0,2 мм. Изоляционную прокладку соответствующей толщины укладывают между центральными кернами. Это предотвращает поломку чашек при стягивании магнитопровода винтом. Чтобы уменьшить площадь платы, катушку L1 крепят к ней лежащей на боку. Выводы обмотки вставляют в соответствующие отверстия и припаивают к контактным площадкам.

Конденсаторы С7 и С9 показаны на схеме (см. рис. 1) и чертеже платы (рис. 3) штриховыми линиями. Обычно в них нет необходимости, но если транзистор VT4 сильно греется, а на осциллограмме напряжения на его затворе видны "паразитные" положительные импульсы в интервалах между основными, установка этих конденсаторов может помочь. Их емкость подбирают опытным путем.

Приступая к проверке собранного преобразователя, следует иметь в виду, что при выходном напряжении 27 В и токе нагрузки 0,5 А первичный источник питания напряжением 6 В должен быть рассчитан на ток не менее 2,5 А. Перед первым включением преобразователя движок подстроечного резистора R14 должен находиться в среднем положении, в дальнейшем с его помощью устанавливают необходимое выходное напряжение.

Если преобразователь не работает, следует временно выпаять катушку L1 и, подав в выходную цепь напряжение +27 В от внешнего источника, добиться, чтобы форма сигналов в точках, указанных на рис. 2, соответствовала приведенной на этом рисунке.

При необходимости преобразователь можно пересчитать на другое входное и выходное напряжение по методике, изложенной в [3]. Исходные данные: минимальное напряжение первичного источника — Uмин; выходное напряжение — Uвых; максимальный ток нагрузки — Iн.

Расчет ведут в следующем порядке:

1. Мощность, отдаваемая в нагрузку,

2. Мощность, потребляемая точника,

(предполагается, что КПД преобразователя — не менее 80 %).

3. Среднее значение тока, потребляемого от источника,

4. Ток катушки L1 (амплитудное значение)

5. Выбираем полевой транзистор VT4 с допустимым током стока не менее lm и минимальным сопротивлением открытого канала rок.

6. Выбираем диод VD1 с допустимым прямым током не менее lm и минимальным падением напряжения Uпр при этом токе.

7. Падение напряжения на открытом транзисторе VT4

8. Длительность открытого яния транзистора VT4

(если конструкция катушки не изменяется, L1=20 мкГн).

9. Длительность закрытого состояния транзистора VT4

10. Период повторения импульсов задающего генератора

Расчетного значения Тn добиваются подборкой номинала резистора R1. Далее, не устанавливая в преобразователь катушку L1 и оставив ее цепь разорванной, базу транзистора VT1 временно отключают от выхода ОУ и соединяют с движком переменного резистора номиналом 47 кОм, один из крайних выводов которого соединяют с выходом интегрального стабилизатора DA1, а другой — с общим проводом. Вновь введенным переменным резистором устанавливают длительность положительных импульсов на затворе VT4 равной t1. Измеряют напряжение на базе транзистора VT1 и устанавливают такое же на входе 3 ОУ DA1, подбирая номинал резистора R5. Восстановив все соединения, подстроечным резистором R14 добиваются нужного напряжения на выходе преобразователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Днищенко В. Аппаратура пропорционального радиоуправления. — Радио. 2001, ╧ 11, с. 24—26; ╧ 12, с. 31—33.
2. Днищенко В. Аппаратура пропорционального радиоуправления (возвращаясь к напечатанному). — Радио, 2002, ╧ 6, с. 31.
3. Щербина А. и др. Применение микросхемных стабилизаторов серий 142, К142.КР142. —Радио. 1991, ╧ 5, с. 68—70.