Преобразователь напряжения для радиоуправляемой модели
Бортовые источники питания радиоуправляемых моделей имеют, как правило, номинальное напряжение 4,5... 12 В. Высококачественные электродвигатели на такое напряжение бывают в продаже довольно редко и по немалой цене. В то же время ассортимент доступных электродвигателей на напряжение 24...27 В достаточно широк, но для них невозможно найти малогабаритный источник питания, поэтому необходим преобразователь напряжения. 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 и без того ограниченные энергетические ресурсы, имеющиеся на борту модели. Описываемый преобразователь напряжения позволяет применять электродвигатели с номинальным напряжением 24...27 В совместно с аппаратурой радиоуправления. Для рулевых машинок моделей неплохо подходят, например, двигатели серии ДПР с полым ротором, имеющие малую инерционность при трогании с места и реверсировании. Как автономное устройство, данный преобразователь напряжения можно использовать и в других целях.
Схема устройства изображена на рис. 4.24. 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%. Задающий генератор на элементах DD1.1 и DDI .2 вырабатывает прямоугольные импульсы. На входы 8, 9 элемента DD1.3 они поступают продифференцированными цепью СЗ, R2, R3. Номиналы резисторов выбраны с таким расчетом, что постоянная составляющая напряжения в точке их соединения несколько превышает пороговый уровень, 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 DDI.4 и транзистором VT3 импульсы открывают силовой ключ — полевой транзистор VT4. 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 превышает время ее передачи в конденсатор С8.
Часть выходного напряжения с движка подстроечного резистора R14 поступает на инвертирующий вход усилителя постоянного тока DA2. На его неинвертирующий вход подано с резистивного делителя R4, R5 образцовое напряжение. Выходное напряжение
ОУ, пропорциональное разности образцового и входного (с учетом делителя R13, R14) 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. 4.25. Подстроечный резистор R14 — СГ13-38Б или РП1-63М. Остальные пассивные элементы — любого типа, подходящие по параметрам и габаритам. В качестве микросхемы DDI, кроме K561J1A7, можно использовать K561TJ11, другие 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 из серии КТ315 или КТ3102, а VT1 — серий КТ361, КТ3107. КПД преобразователя заметно зависит от падений напряжения на диоде VD1 и на открытом транзисторе VT4. 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 КД2996В можно заменить на КД213А. Катушка L1 индуктивностью 18...20 мкГн должна иметь малый магнитный поток рассеивания, поэтому для нее выбран броневой магнитопровод Б26 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 штриховыми линиями. Обычно в них нет необходимости, но если транзистор VT4 сильно греется, 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.