Операционным усилителям(ОУ), применяемым в радиолюбительских конструкциях, иногда требуется двухполярный источник питания. Автор предлагает преобразователь, позволяющий получить нужные для питания ОУ напряжения +15 В и -15 В из напряжения 5 В, используемого для питания остальных узлов устройства.
Мне потребовался такой преобразователь с выходной мощностью 1...2 Вт и КПД не менее 70 %. Проектируя его, я пользовался сведениями и расчётными формулами из книги Б. Ю. Семёнова "Силовая электроника: от простого к сложному" (М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006). Частота преобразования была выбрана равной 100 кГц, чтобы можно было применить феррито-вый магнитопровод и обеспечить минимальные габариты устройства.
Для задающего генератора преобразователя был выбран микроконтроллер
ATtiny25-20SU, который позволяет сформировать две противофазные непере-крывающиеся импульсные последовательности, необходимые для управления транзисторами двухтактной выходной ступени преобразователя. Имеется возможность программно установить между импульсами этих последовательностей защитные паузы, длительность которых гарантирует отсутствие сквозного тока через транзисторы.
В этом микроконтроллере имеется также узел ФаПч, способный умножить частоту тактового генератора микроконтроллера в четыре или восемь раз. Тактируя её выходным сигналом таймера микроконтроллера, несложно довести частоту управляющих транзисторами импульсов до 100 кГц.
Выходную ступень преобразователя было решено построить по двухтактной схеме с выходным трансформатором, поскольку в этом случае затворы обоих полевых транзисторов этой ступени могут быть соединены с выходами микроконтроллера непосредственно без специальных драйверов, нужных для мостовых и полумостовых схем.
Схема преобразователя показана на рисунке. Кроме микроконтроллера DD1 с цепью R1d, устанавливающей его в исходное состояние при включении питания, в преобразователе имеются ключевые полевые транзисторы VT2 и VT3, импульсный трансформатор T1 и двухполярный выпрямитель на диодах VD1-VD4 со сглаживающими конденсаторами C5 и C6. Транзистор VT1, конденсатор C2 и резисторы R2 и R3 образуют узел "мягкого" запуска преобразователя. При указанных на схеме номиналах элементов этого узла преобразователь выходит на рабочий режим приблизительно за 2 с. Резисторы R4 и R5 ограничивают ток зарядки и разрядки ёмкости затвора полевых транзисторов.
Схема преобразователя
При входном напряжении преобразователя 5 В транзисторы VT2 и VT3 должны иметь максимально допустимое напряжения сток-исток не менее 10 В. При мощности нагрузки преобразователя 2 Вт и КПД 70 % амплитуда импульсов тока стока этих транзисторов около 0,6 А. Применённые транзисторы FDN337N (максимальное напряжение сток-исток - 30 В, максимальный ток стока - 2,2 А) с большим запасом соответствуют этим требованиям и малогабаритны (в корпусе SOT-23).
Диоды 1N4148 можно заменить на КД522А или другие импульсные диоды с малым временем восстановления. Можно применить и диоды с барьером Шотки и допустимым обратным напряжением не менее 40...50 В. Оксидные конденсаторы C2 и C3 - алюминиевые, C5 и C6 - танталовые, более подходящие для работы на частоте 100 кГц.
Для изготовления трансформатора T1 использован ферритовый магнито-провод К10х6х4, извлечённый из ЭПРА компактной люминесцентной лампы. Обмотки I.1 и I.2 содержат по 11 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,27 мм, обмотки II.1 и II.2 - по 39 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,12 мм. Каждую пару обмоток наматывают одновременно в два провода. Поскольку выходное напряжение преобразователя довольно сильно зависит от нагрузки, число витков обмоток II.1 и II.2 указано с небольшим запасом. После изготовления и запуска преобразователя необходимо отмотать равное число витков от каждой из этих обмоток до получения нужного напряжения на реальной нагрузке.
Магнитопровод для трансформатора я выбирал из трёх ферритовых колец одинакового размера, намотав на каждое пробную обмотку из 20 витков и измерив её индуктивность. Вычислив по результатам измерения магнитную проницаемость каждого (1635,4879 и 2775), выбрал тот, у которого она равна 2775.
Число витков половины первичной обмотки рассчитывают по формуле
N1 = (D·Uпит) / (F·B·Sc),
где D=0,5 - коэффициент заполнения импульсов; Uпит - напряжение питания, В; F - частота следования импульсов, Гц; B=0,25 - магнитная индукция в маг-нитопроводе, Тл; Sc - площадь сечения магнитопровода, м2.
Число витков половины вторичной обмотки N2 выбирают исходя из заданного выходного напряжения:
N2 = N1 · Uпит / Uвых,
где Uвых - выходное напряжение, В.
Программа, загружаемая во FLASH-память микроконтроллера DD1, занимает менее 3 % её объёма. Конфигурация микроконтроллера должна быть запрограммирована в соответствии с таблицей, что соответствует его работе от встроенного тактового RC-генератора частотой 8 МГц. Программатор подключают к показанным на схеме линиям MISO, MOSI, SCK, RESET и к источнику напряжения 5 В, питающему преобразователь. При загрузке в микроконтроллер программы и конфигурации резистор R2 должен быть отключён от цепи +5 В, чтобы предотвратить запуск преобразователя по завершении программирования.
Таблица
Старший байт | Младший байт | ||
Разряд | Сост. | Разряд | Сост. |
RSTDISBL | 1 | CKDIV8 | 1 |
DWEN | 1 | CKOUT | 1 |
SPIEN | 0 | SUT1 | 1 |
WDTON | 1 | SUT0 | 0 |
EESAVE | 1 | CKSEL3 | 0 |
BODLEVEL2 | 1 | CKSEL2 | 0 |
BODLEVEL1 | 1 | CKSEL1 | 1 |
BODLEVEL0 | 1 | CKSEL0 | 0 |
0 - запрограммирован;
1 - не запрограммирован.
Необходимо отметить, что число, записываемое программой в регистр OCR1A микроконтроллера, всегда должно быть в два раза меньше числа в регистре OCR1C. Нарушение этого условия приведёт к асимметрии импульсов, управляющих транзисторами VT2 и VT3.
При первом включении изготовленный преобразователь, в котором транзистор VT1 отсутствовал, а истоки транзисторов VT2 и VT3 были соединены с общим проводом, не запустился, а потребляемый им ток достиг 2 А. Поскольку я предварительно проверял работу преобразователя без трансформатора, формы всех сигналов были в порядке, подозрение пало на неправильно рассчитанный или неисправный трансформатор. Но несколько разных трансформаторов были испытаны с тем же результатом. Ток удалось ограничить до 130 мА лишь включением последовательно в цепь питания оконечной ступени двух резисторов общим сопротивлением 2,5 Ом. Естественно, это не лучшее решение проблемы, так как получить высокий КПД преобразователя не удалось.
Лишь отключение выпрямителя от вторичных обмоток трансформатора, после которого ток холостого хода преобразователя упал до 20 мА, помогло выяснить истинную причину его неработоспособности - запуск происходил в режиме короткого замыкания вторичных обмоток разряженными сглаживающими конденсаторами выпрямителя. Поскольку попытки решить эту проблему программным способом успеха не имели, в преобразователь был добавлен узел плавного запуска, а ограничивающие пусковой ток резисторы удалены.
В процессе налаживания преобразователя число витков половин вторичной обмотки трансформатора T1 было уменьшено до 33. После этого при напряжении питания 5 В напряжение на плюсовом и минусовом выходах изменяется от 16,4 В до 14,3 В при изменении тока нагрузки по обоим выходам от 15 мА до 50 мА. КПД преобразователя при этом находится в пределах 79...81 %. С нагрузкой 1000 Ом только на одном выходе напряжение на нём равно 15,3 В, а на выходе, оставленном без нагрузки, - 15,8 В.
Если требуется более стабильное выходное напряжение, то число витков вторичной обмотки трансформатора можно оставить без изменения, а нагрузку подключить к выходам выпрямителей через линейные стабилизаторы напряжения. При этом общий КПД преобразователя, естественно, уменьшится.
Описанный преобразователь можно собрать на отдельной плате или поместить его на плате питаемого устройства.
Программа микроконтроллера имеется здесь.
Автор: Н. Салимов, г. Ревда Свердловской обл.