Обратноходовой преобразователь +5 В / +24 В

Простой регулируемый источник напряжения +24 В для слаботочных применений.

Схема была собрана на небольшом кусочке гетинаксовой платы размером около 2×5.5 см. Это что-то типа мезонинной платы, которую можно устанавливать «вторым этажом» на печатные платы более сложных конструкций.

Как-то для цепи смещения варикапа мне потребовалось напряжение +24 В при токе несколько миллиампер. С моим системным подходом по-прежнему питать все схемы от 5-вольтового стабилизатора, это означало, что я должен был придумать преобразователь постоянного напряжения 5 В в напряжение 24 В. В результате получилась схема регулируемого DC/DC преобразователя, приведенная ниже.

Предполагалось, что 24 В будут использоваться для питания усилителя, вырабатывающего сигнал до нескольких сотен герц для смещения варикапа или пары варикапов в цепях высокой частоты. Это означало, что потребление тока будет низким, возможно, чуть более миллиампера. Также, необходимо было обратить внимание на импульсные выбросы при восстановлении выпрямительных диодов и гармоники рабочей частоты, так как они могли повлиять на работу питаемой схемы. В устройстве применена только минимальная фильтрация. Дополнительный фильтр будет добавлен в последующем проекте.

Сначала я рассматривал преобразователь с переключаемыми конденсаторами, поскольку такая схема позволила бы «мягко» преобразовывать напряжение на низких частотах, но количество элементов было довольно большим, учитывая, что я должен был перейти от стабилизированных +5 В питания до +24 В на выходе. Схема содержала бы пять каскадов полуволновых умножителей напряжения.

Я также рассматривал схему дроссельного блокинг-генератора. Но проблема была в том, что у меня не оказалось подходящего ферритового сердечника. Можно было бы сделать схему конвертера на мультивибраторе, собранном из пары транзисторов, который возбуждал бы катушку с отводом от середины первичной обмотки, и вторичной обмоткой в качестве выходной. Но и для такой схемы сердечника у меня не нашлось. Я располагал в то время только или слишком большими сердечниками, или слишком маленькими.

К счастью, у меня есть выбор из экранированных сердечников, и я могу использовать надежную проверенную схему генератора, которая в состоянии произвести 24 В с необходимым током. Схема достаточно небольшая, и я смогу закрыть ее медным экраном.

Блок-схема

Эту схему можно рассматривать как линейный стабилизатор, преобразователь напряжения и цепь обратной связи, соединенные последовательно.

 

Надписи на схеме
Analog Regulator	Линейный стабилизатор
2.2 to 3.8 VDC Depending upon load current	От 2.2 до 3.8 В, в зависимости от тока нагрузки
Voltage Converter	Преобразователь напряжения

Базовая схема повышающего преобразователя

Эта базовая схема конвертера когда-то считалась канонической.

Преобразователь обеспечивает выходное напряжение примерно в 10 раз большее, чем входное. Повышение напряжения происходит, когда транзистор 2N4401 закрывается, и высвобождается энергия магнитного потока, чтобы поддержать ток в дросселе. Это быстрое изменение магнитного потока сопровождается быстрым скачком напряжения на коллекторе 2N4401, зависящим, по большей части, от быстродействия транзистора, но, в конечном счете, ограниченном напряжением на выходном конденсаторе плюс падением напряжения на диоде. Такой тип преобразователя часто называют повышающим или обратноходовым (flyback). Последнее название пришло из схемотехники высоковольтных источников напряжения телевизоров, которые были объединены со схемой горизонтального отклонения. Высокое напряжение в них возникает при быстром возврате (обратном ходе) луча в левую часть экрана.

Когда преобразователь нагружен, частота колебаний чуть меньше 300 кГц. Сначала в качестве ключевого я использовал распространенный NPN транзистор 2N2222, но не смог отказаться от повышения КПД схемы и заменил транзистор более быстродействующим 2N4401.

После измерений входного напряжения, необходимого для поддержания выходного напряжения на уровне +24 В при различных токах нагрузки, за основу была принята базовая схема, помещенная в петлю аналогового регулирования, которая могла бы обеспечить необходимый диапазон напряжений питания преобразователя. Из графика (ниже) видно, что напряжение на выходе линейного стабилизатора (эмиттер 2N2222) должно перекрывать диапазон от 2.2 до 3.5 В для того, чтобы обеспечить выходное напряжение +24 В при нагрузке от 0 до 5 мА.

После некоторого уточнения параметров устройства, я понял, что аналоговая часть преобразователя также должна обеспечивать около 40 мА тока для преобразовательной секции при потреблении тока нагрузкой в 5 мА.

Окончательная схема

Линейный стабилизатор собран на микросхеме TL431 и транзисторе 2N2222. На транзисторах Q2 и Q3 сделан генератор, обеспечивающий напряжение +24 В на катоде диода D3.

Выше показана окончательная схема устройства. Линейный стабилизатор – это регулируемый стабилитрон TL431 с подключенным к нему транзистором Q1 2N2222. Последний обеспечивает более высокий выходной ток и снижает напряжение, на величину падения на переходе база-эмиттер. Ток через катод TL431 задается резистором 560 Ом при опорном напряжении 2.5 В на входе управления. Делитель напряжения на выходе устройства уменьшает +24 В до +2.5 В. Для подстройки выходного напряжения я добавил потенциометр, так как разброс параметров элементов может привести к ошибке более вольта.

Напряжение на катоде управляемого стабилитрона TL431 является функцией протекающего через него тока. Это напряжение повторяется на эмиттере транзистора 2N2222. Резистор 10 Ом, включенный последовательно с транзистором 2N2222, ограничивает пиковый ток его эмиттера при включении и в случае больших колебаний тока нагрузки, который сглаживается конденсатором С1. С4 и R10 снижают влияние обратной связи на высоких частотах, чтобы предотвратить возбуждение TL431.

Входное напряжение импульсной части устройства, в вольтах при +24 В на выходе, как функция тока нагрузки в амперах. Обратите внимание, что для этого теста на вход устройства подавалось питание +9 В. При напряжении питания +5 В, максимальный ток нагрузки без снижения выходного напряжения составляет 6.8 мА.

 

Входной ток, в амперах, потребляемый устройством при напряжении на выходе +24 В, в зависимости от тока нагрузки, в амперах. Ток определялся путем измерения падения напряжения на резисторе 10 Ом, подключенном к коллектору транзистора 2N2222.

Поскольку схема рассчитана так, чтобы на катоде TL431 поддерживалось напряжение +2.5 В, вследствие падения напряжения на переходе база-эмиттер 2N2222, напряжение питания преобразователя на холостом ходу может быть меньше 2 В. Значение R1 было выбрано таким образом, чтобы обеспечить минимально необходимый ток через TL431 при максимальном выходном напряжении, и, в тоже время, обеспечить достаточный базовый ток транзистора для тока эмиттера более 40 мА.

Внимательный взгляд покажет некоторые различия между базовым и окончательным вариантом преобразователя.

Добавление диода D2 во время обратного хода защищает базо-эмиттерный переход Q2 от лавинного пробоя импульсом с коллектора Q3. Отсутствие диода в долгосрочной перспективе может привести к деградации коэффициента усиления транзистора Q2. Кроме того, при лавинном пробое перехода база-эмиттер на нем рассеивалась значительная мощность. Резистор R4 сокращает время закрывания транзистора Q2.

Модификация базовой цепи транзистора Q3 обеспечивает более быстрое его закрывание, что позволяет сократить потери мощности. Когда Q3 включается током транзистора Q2, часть этого тока течет через резистор R3 и индуктивность L1. При закрывании Q2, ток L1 начинает течь через базу Q3 в противоположном направлении, тем самым, закрывая его гораздо быстрее. Резистор R6 сопротивлением 330 Ом, шунтирующий L1, поглощает часть энергии из L1, устраняя положительные выбросы на базе транзистора Q3 во время импульса обратного хода, экономя, тем самым, несколько миллиампер входного тока. В более мощной схеме, включение Q3 во время импульса обратного хода может даже вывести его из строя.

Но эти модификации схемы требуются только для повышения ее КПД. Диоды D1 и D2, резистор R4 и дроссель L1 можно не устанавливать, а использовать базовую схему преобразователя. Это приведет лишь к некоторому увеличению потребляемого тока. Показанные выше графики входного напряжения и тока были построены на основе измерений, сделанных внутри цепи обратной связи модифицированной схемы.

Значение емкости конденсатора C3 было рассчитано для ограничения максимального положительного броска выходного напряжения в случае, если нагрузка вдруг отключится. Если всю энергию, запасенную в индуктивности L2, сбросить в C3, насколько большим должен быть C3, чтобы не допустить выброса выходного напряжения более чем на 1 В?

Ответ можно дать довольно быстро, игнорируя сопротивление цепи и зная, что энергия, запасенная в дросселе ½LI², а энергия, запасенная в конденсаторе ½CV². При использовании дросселя на 220 мкГн с током насыщения 300 мА, равным максимальному току, C = LI² / V² = 20 мкФ.

Должен отметить, что диод 1N4141 выбран мной в качестве выпрямителя не сразу, но, учитывая облегченный режим его работы, при пиковом токе около 50 мА, и низкие требования к КПД, диод работает в этом устройстве очень хорошо.