Импульсный стабилизатор: что "это" такое? (часть 2)

Понижающий преобразователь напряжения собирают по несколько иной схеме (рис.За). Пока транзистор открыт, катушка медленно накапливает заряд, одновременно подзаряжая выходной накопительный конденсатор (рис.Зб). После запирания транзистора катушка через диод разряжается на конденсатор (рис.Зв).
Как только напряжение на конденсаторе чуть снизится (под влиянием тока нагрузки), схема управления подаст еще один открывающий импульс на транзистор, подзаряжая конденсатор, и так до бесконечности.
А вот совсем отказаться от использования катушки в этой схеме нельзя, хотя она, вроде как. и ни к чему. В принципе, если на выходе устройства — обычная активная нагрузка (лампочка или паяльник), катушку и диод можно не ставить. Но если на выходе должно быть сглаженное постоянное напряжение, без катушки не обойтись. Ведь внутреннее сопротивление (ESR) современных конденсаторов ничтожно мало (посмотрите хотя бы на мощность искры, появляющейся при коротком замыкании выводов заряженного конденсатора) и при резком отпирании транзистора через конденсатор и переход транзистора потечет очень большой (десятки...сотни ампер) ток, способный вывести их из строя. К тому же, очень резко возрастет нагрев этих элементов и снизится срок их службы.
Повышающе-понижающий преобразователь напряжения (его обычно называют "инвертор", что не совсем правильно), если напряжение на на грузке должно быть, например, 5 В. а напряжение питания — 3...12 В, собирается по комбинированной схеме (рис.4а). Пока входное напряжение меньше напряжения нагрузки, транзистор VT1 всегда полностью открыт (рис.4б), a VT2 "повышает" напряжение, работая в импульсном режиме (рис. 4в) аналогично схеме на рис. 1. При равенстве входного напряжения выходному VT1 открыт, VT2 закрыт. Как только входное напряжение станет больше выходного, VT2 "навсегда" закрывается, a VT1 наминает "работать", ограничивая выходное напряжение (рис.4г и д). Естественно, схема управления в этом случае будет гораздо сложнее, а также чуть снизится КПД (на 1.. .5%) из-за двух диодов в режиме понижающего преобразователя.
При повторении схемы импульсного преобразователя, если нет разработанной печатной платы, особое внимание нужно уделить разводке цепей питания и нагрузки. Всего лишь одна "неправильная" дорожка на плате — и схема будет плохо работать или. что самое страшное, начнет самовозбуждаться- Ведь на рабочих частотах преобразователей даже несколько сантиметров длины дорожки — уже полноценная катушка индуктивности, и при ее неправильном включении в источнике может образоваться положительная обратная связь (ПОС), превращающая его в генератор. "Скачки" потенциалов при больших импульсных токах на достаточно узких дорожках со сравнительно большим сопротивлением тоже могут поспособствовать возбуждению.
При самовозбуждении (обычно на высокой частоте) нарушается четкий режим работы схемы, резко возрастает потребляемый ток, и ключевой транзистор (чаще всего низкочастотный, т.к. они гораздо дешевле) не может корректно "обработать" столь высокочастотный сигнал. Поэтому он переходит в близкий к линейному режим, сильно греется и заметно снижает КПД устройства. Еще один косвенный признак "возбуда" — свист или писк, В нормальном режиме, если схема работает на ультразвуковых частотах (выше 25.. .30 кГц), она практически бесшумна. Максимум — это небольшой фон с частотой 50 Гц при плохой фильтрации выпрямленного сетевого напряжения или небольшой шум в катушке, как в ненастроенном радиоприемнике при недостаточной емкости фильтрующего конденсатора в управляющей схеме.
Самый простой способ борьбы с "возбудом" — переделать плату с учетом всех правил и рекомендаций, поскольку поиск причины "возбуда" может сильно растянуться. К сожалению, неопытные радиолюбители, столкнувшись с сомовозбуждением из-за неправильно разведенных дорожек, часто бракуют даже очень хорошие схемы, которые, при правильном монтаже, обладают замечательными характеристиками.
Еще одна проблема импульсных стабилизаторов — создание мощных электромагнитных помех. У меня блок питания при токе нагрузки в несколько ампер заглушал все ДВ- и СВ-ра-диостанции в радиусе десятков метров от него. А на расстоянии десятка сантиметров от катушки индуктивности излучение настолько мощное, что способно нарушить работу всех элементов схемы. Поэтому размещать катушку нужно как можно дальше от схемы, особенно от ее чувствительных цепей (цепей обратной связи, управляющей микросхемы). В крайнем случае, их нужно хотя бы прикрыть "забором" из электролитических конденсаторов.

Провода питания должны быть подключены как можно ближе к выводам фильтрующего конденсатора по питанию (рис.5а) дорожками максимально возможной ширины (обычно из расчета 1 мм ширины дорожки на 1 А тока). Дорожку можно "усилить", припаяв к ней медную проволоку диаметром 0,5 мм и больше. После чего из двух точек (это не обязательно должны быть контактные площадки выводов конденсатора, "точки" можно сформировать и посреди дорожки от источника питания до конденсатора, тогда часть дорожки будет продолжением вывода конденсатора) "разводят" питание на все остальные узлы схемы, в первую очередь, на транзистор и катушку Ширина дорожек для сильноточной части должна быть максимальной (на рисунке они показаны жирными линиями). Только в таком случае удается минимизировать паразитные эффекты от падения напряжения на дорожках
На рис.5б показан примерный вариант печатной платы. Здесь между управляющей схемой и катушкой индуктивности стоят два ряда электролитических конденсаторов. Они менее чувствительны к магнитному излучению дросселя и надежно "прикрывают" схему управления. Конденсаторы включены по два в параллель, хотя можно обойтись и одним большей емкости. Обратите внимание на разводку дорожек питания: разводить нужно именно так, как бы ни был велик соблазн "сэкономить". Разве что, можно сделать дорожки пошире. Если общий провод устройства должен быть электрически соединен с корпусом устройства (заземлен), то заземляющий провод должен подключаться к той точке, от которой расходятся все дорожки, а не "в любом удобном месте"! Это относится и ко всему остальному монтажу в силовой части схемы.
Обратите внимание, как сделан "земляной" вывод нагрузки: в схему добавлена "неудобная" перемычка, хотя физически можно провести дорожку возле катушки. Но тогда эта дорожка станет "ловить" помехи от катушки, и предсказать форму выходного напряжения станет невозможно. Особое внимание при "рисовании" платы нужно уделять подключению элементов обратной связи (на рисунке — резистора): это даже важнее, чем правильная разводка питания. В любом случае лучше сделать плату больших размеров, но с правильной разводкой всех цепей, чем сэкономить "на спичках4 и потом бороться с плохим КПД, сильным нагревом транзисторов и неустойчивой работой всего преобразователя.

А.КОЛДУНОВ,
г.Гродно. E-mail: nixto@telegraf.by