А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

• Название: Семь шагов в электронику
• Автор: А. Черномырдин
• Издательство: "Наука и Техника"
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-94387-853-4

Впервые на российском рынке появилась радиолюбительская книга с видеокурсом. Разработки автора книги и его статьи широко известны читателям самых популярных журналов для радиолюбителей. А эта практическая книга им написана для тех, кто вступил на сложный и интересный путь от «чайника» до «профи» — ведь двигаться на этом пути очень трудно! В легкой и доступной форме в книге разбираются устройство и принципы работы семи различных конструкций. Устройства помещены в порядке возрастания сложности, осваиваются шаг за шагом.

Изюминка книги и в том, что конструкции каждого Шага созданы автором в нескольких вариантах на различной элементной базе — или на транзисторах, или на микросхемах, или на микроконтроллерах, — чтобы можно было наглядно увидеть и сходство, и различия между схемными решениями. Там, где какие-то схемотехнические варианты нереализуемы (например, усилитель на микроконтроллере), их, естественно, в книге нет. Интересны и реальные конструкции в ретро-варианте: на лампах, реле, тиратронах — такими они были во времена наших отцов и дедов.

Все рассмотренные конструкции автор разработал, изготовил, проверил и заставил работать — подтверждением тому многочисленные ролики, содержащиеся на приложенном к книге диске. Книга будет интересна всем читателям, желающим расширить свои знания и практические навыки в радиоэлектронике.

Книга сопровождается диском, на котором записан видеокурс, видеоролики с демонстрацией работающих конструкций, имеется разводка печатных плат всех конструкций в электронном виде. Для всех конструкций на микроконтроллерах на диске приводятся программы с исходниками. Диск содержит большое количество справочной информации для радиолюбителей.

---

 Примечание.

Кажется совершенно понятным, что именно надо предпринять — нужно заменить транзисторный ключ корректора коэффициента мощности на каскодную схему. Ведь только что перед этим мы вполне успешно заменили каскодными ключами транзисторы конвертора, и получили великолепные результаты!

Конечно, стоит только поменять этот кусок, и все волшебным образом наладится.

Увы, не все так просто в этом мире! Безусловно, рассуждения по аналогии являются одним из сильнейших приемов мышления, но давайте спросим самих себя, где мы здесь углядели аналогии. Ведь, в отличие от конвертора, у нас есть еще один компонент, проявляющий ненормальный нагрев — двухобмоточный дроссель! Да, в конверторе грелись ключи и микросхема драйвера, но ведь сам-то трансформатор был «всего лишь теплый»! Он вовсе не плавил свечки! Так что рассуждения «по аналогии» в данном случае — скорее всего, ложный путь, который заведет нас в никуда.

Отчего может греться двухобмоточный дроссель? Любой материал, используемый в качестве магнитопровода, имеет некую предельно допустимую индукцию насыщения. Фактически эта индукция связана с максимально возможной энергией, которая может быть накоплена материалом магнитопровода в виде магнитного поля. Этой энергии нельзя накопить сколько угодно много — материал магнитопровода накапливает ее, «разворачивая» магнитные домены, и, когда они все будут «развернуты», наступит «насыщение» материала магнитным полем.

 Примечание.

«Вкачивание» дополнительной энергии в насыщенный магнитопровод будет приводить только к стремительному увеличению тока через обмотки (без сколь-нибудь заметного накопления энергии), что и приводит к сильному нагреву.

Но источником нагрева могут быть не только обмотки, но и сам магнитопровод — если подать на него слишком высокую частоту. Какая из этих двух причин является в нашем случае главной? Первая? Вторая? А, может быть, обе одновременно? Как это выяснить?

Очевидное решение, которое буквально напрашивается — измерить ток, проходящий через ключ. К великому сожалению, сделать это невозможно — схема корректора коэффициента мощности имеет контур обратной связь по току, поэтому характер тока будет определяться режимом работы микросхемы корректора коэффициента мощности, а вовсе не фактом насыщения сердечника.

Вообще, измеряя какие-либо параметры в устройствах, охваченных обратной связью, нужно всегда быть готовым к тому, что измеряемая величина окажется совершенно не совпадающей с нашими ожиданиями, потому что в дело вмешалась обратная связь. В таком случае частенько не остается ничего другого, как провести с устройством научный эксперимент.

В чем будет состоять научный эксперимент в нашем конкретном случае? Мы должны выяснить, что именно — частота или величина тока, — является определяющим в нагреве нашего дросселя. Сделать это можно одним из следующих способов:

♦ перемотать дроссель на магнитопровод больших размеров, заведомо исключающий насыщение;

♦ перемотать дроссель на другой, более высокочастотный материал магнитопровода.

Если у нас нет желания связываться с расчетами, достаточно просто взять кольцо большего диаметра и намотать на нем ту же обмотку, что и на нашем нынешнем кольце. С этого мы и начнем:

♦ материал — два кольца MicroMetal тип 26, сложенных вместе;

♦ первичная обмотка — 110 витков, диаметр провода 0,6 мм;

♦ вторичная обмотка — 10 витков, диаметр провода 0,1 мм.

Третье «длинное» включение

Не будем утомлять друг друга повторами — по большому счету после замены почти ничего не изменилось, более того, кажется, что теперь ключ и диод корректора коэффициента мощности стали разогреваться еще сильнее (или еще быстрее, по крайней мере). Видимо, все-таки не в насыщении дело. Тогда остается второй вариант — заменить материал кольца. Возьмем на этот раз пермаллоевое кольцо. Вот что у нас получится в результате расчетов:

♦ материал — пермаллоевое кольцо МП140 КП20х12x6,5;

♦ первичная обмотка — 110 витков, диаметр провода 0,6 мм;

♦ вторичная обмотка — 10 витков, диаметр провода 0,1 мм.

Четвертое «длинное» включение

Ура! Вот что получилось в результате:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности слегка теплый;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности достаточно нагрелся, но свечку не плавит;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся достаточно сильно, но не до такой степени, чтобы прерывать прогон;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик ощутимо нагрелся, но свечку не плавит;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;

♦ ключевые транзисторы конвертора слегка нагрелись (причем более теплыми ощущаются «нижние» ключи каскодной схемы);

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.

 Примечание.

Самое удивительное, что после замены магнитопровода перестал греться не только дроссель, но и ключ!

Хотя, по большому счету, ничего удивительного в том нет. Если какой-то компонент конструкции сильно нагревается, значит, он откуда-то черпает энергию для своего нагрева. А это, в свою очередь, означает, что по всему пути прохождения этой энергии будут более сильные электрические, а, следовательно, и тепловые потери. Итак, еще одна корректировка нашей схемы, к счастью, не связанная с ее радикальной переделкой — изменились параметры двухобмоточного дросселя.

Ну а теперь, наконец-то, можно попытаться снизить нагрев ключа корректора коэффициента мощности. На этот раз, кажется, ничто не мешает принципу аналогий, и следует попробовать заменить ключ каскодной схемой. Чтобы не переделывать заново плату, просто «набросаем» эти доработки «летучим» монтажом — если работа устройства улучшится, сделаем все капитально.

Пятое «длинное» включение

Опаньки! Вот уж этого мы меньше всего ожидали:

♦ силовой ключ корректора мощности нагрелся достаточно, но меньше, чем при предыдущем прогоне;

♦ диод корректора коэффициента мощности нагрелся заметно сильнее предыдущего прогона.

 Примечание.

Оказывается, что работа ключа и диода между собой взаимосвязаны! Чем меньше греется силовой транзистор, тем сильнее греется диод.

Есть ли этому какое-то объяснение? Объяснение этому факту есть, и оно вполне очевидно — раньше у нас самым «медленным» звеном был транзистор силового ключа (обычно высоковольтные полевые транзисторы имеют время закрывания порядка 300 не), а теперь это звено закрывается за время порядка 30–50 не.

И что теперь оказывается самым «медленным» звеном? Правильно, диод (со своими 100 нс)! Вот и получается — те динамические потери, что ранее рассеивались на силовом ключе, теперь «перекочевали» на диод! Таким образом, улучшив один элемент схемы, мы тем самым ухудшили режим работы другого.

И вот теперь перед нами встает вопрос — что делать с этим «улучшением». С одной стороны, режим работы силового ключа объективно стал легче. С другой стороны, легче он стал за счет утяжеления работы другого элемента схемы. Причем, в отличие от транзисторного ключа, который мы сделали каскодным, улучшить схемно-техническими решениями диод невозможно — он какой есть, таким и останется. Так что, возможно, в данном случае нужно просто махнуть рукой на то, что есть — усложнение схемы недостаточно себя оправдывает.

Давайте так и сделаем — махнем рукой. Каскодный ключ корректора мощности — отменяется! Тем не менее, улучшить работу этого узла можно, но уже совсем прямолинейным способом — заменой деталей на другие, с лучшими характеристиками:

♦ транзистор VT заменяем с 2SK141 на IRF740;

♦ диод заменяем с HER305 на UF600G.

Шестое «длинное» включение

Результат прогона следующий:

♦ двухобмоточный дроссель корректора мощности слегка теплый;

♦ трансформатор всего лишь теплый;

♦ силовой ключ корректора мощности слегка нагрелся;

♦ диод корректора коэффициента мощности слегка нагрелся;

♦ микросхема корректора мощности практически холодная;

♦ выпрямительный мостик слегка нагрелся;

♦ микросхема автогенерирующего конвертора практически холодная;

♦ ключевые транзисторы конвертора слегка нагрелись;

♦ сдвоенный диод выпрямителя напряжения накала вместе с радиатором нагрелся, но свечку не плавит.