Универсальный обратноходовой преобразователь с ШИМ

Как работает. Это есть схема обратноходового преобразователя с широтно-импульсной модуляцией. Полевик (Power nFET на схеме) циклически открывается, разгоняя ток в дросселе (Inductor), после чего закрывается, давая дросселю разрядить накопленную энергию через HV Diode на выходной конденсатор (HV Cap) и нагрузку. Особенность данной схемы - контроль тока через дроссель по резистору R4. Рассмотрим работу схемы от 12 Вольт питания. Если через дроссель ток не течёт, напряжение на резисторе - 0В. Когда ток в дросселе достигает 0.8А, напруга на R4 поднимается до 80мВ. Эти мизерные гуляния напряжения смещаются на 0.6В транзистором Q2, после чего умножаются в 50 раз транзистором Q1. В результате коллектор Q1 болтается в диапазоне 4-8В, заставляя триггеры таймера при этом срабатывать, качая полевик: когда ток в дросселе нарастает до 0.8А, коллектор Q1 поднимается до 8В, заставляя таймер передёрнуть затвор полевика в нижнее положение (около 2В), закрыв его, а когда ток в дросселе спускается до 0А, коллектор Q1 опускается к 4В, заставляя таймер снова открыть полевик. Выходной ток таймеров SE555/NE555/NA555, согласно документации, 200mA, что при длине фронта в 100nS позволяет при 12V управлять полевиком с ёмкостью затвора не более 1667pF, что является типовым значением для большинства полевиков.

Настройка. Некоторая подстройка схемы желательна - это позволит слегка увеличить КПД. Она заключается в подборе резистора R3. На схеме он имеет номинал в 33К, однако рекомендую попробовать поставить 5.1К, 10К, 20К, 33К, 51К последовательно, и оставить в схеме наименьший номинал, при котором схема будет работать. При слишком маленьком сопротивлении схема будет молчать, а при слишком большом - КПД снизится. 33К обычно является золотой серединой, но не всегда.

Детали. Транзисторы Q1 и Q2 обязательно должны быть комплиментарны. Ширпотребные маломощные транзюки.

Q3 вообще любой маломощный NPN. Но желательно с минимальным током утечки коллектора.

Полевик выбирайте на ту напругу, что Вам нужна на выходе. Чем меньше проходное сопротивление, тем лучше. С низким проходным греться будет меньше и радиатор не потребуется (у меня 0.65Ом, и радиатора при этом не просит).

Выходной диод (HV Diode) на ту же желаемую напругу должен быть нормирован. Ток у него должен быть 1А для выходной мощности преобразователя в 6Вт, 2А для 12Вт и т.д. Желательно скоростной диод.

Второй HV Diode (что в группе Short circuit protection) нужен для безопасности - иначе при КЗ на выходе (подключение преобразователя к блоку заряжаемых кондюков) может случится кратковременное переколебание напруги в обратную сторону с непредсказуемыми для схемы последствиями (у меня уже два таймера выбило в старой схеме, пока я не допёр, в чём было дело).

Дроссель выходной (группе Short circuit protection) нужен для ограничения ударного тока при подключении блока кондюков. Его индуктивность должна быть тем выше, чем больше ёмкость HV Cap, ёмкость которого должна быть минимальной, при которой выходное напряжение ещё стабилизируется (у меня стоит керамика 0.1мкФ@1000V). Скажем, 100мкГн будет более чем достаточно, но примите во внимание качество намотки этого дросселя - в момент подключения блока заряжаемых конденсаторов напряжение на этом дросселе будет максимальным, так что изоляция должна выдерживать номинальное напряжение (800В). Да и если провод толщиной в 0.1мм получит десяток а то и сотню ампер в импульсе, что-то плохое может с ним произойти. Кстати, если заряжаемые конденсаторы будут отключаться от преобразователя во время выстрела (ну разумеется же!), то дроссель рекомендуется припаивать не к плате преобразователя, а к блоку конденсаторов, иначе болтающийся в воздухе конец дросселя будет давать неимоверной мощности радионаводки, сбивающие с толку всю электронику вокруг. У меня это приводило к срабатыванию схемы управления выстрелом при отключении преобразователя, что было чрезвычайно опасно!

Стабилитрон (DZ1) - основной элемент в группе контроля выходного напряжения. При достижении требуемой напруги на выходе частота импульсов резко снижается (схема почти замолкает, давая редкие пачки импульсов, компенсируя токи утечки). Поскольку я не видел стабилитронов на напруги более 200В, будьте готовы поставить цепочку из 4-х таких, если идёте на 800В. Для 400В потребуется пара таких стабилитронов. Мощность им большая не нужна, хотя я не встречал менее 3Вт на 200В. Позаботьтесь о минимальных токах утечки. Нужно заметить, что если поставить два стабилитрона на 200 Вольт (ориентируясь на 400В), то напруга на выходе будет всегда чуть меньше 400В - примерно на 10-18 вольт ниже, поскольку измерение проводится от Gnd, в то время как отрицательный вывод HV есть +12В.

Силовой дроссель можно ставить любой - схема следит за током в дросселе, так что частота работы преобразователя просто будет зависеть от индуктивности. Испытывайте, не стесняйтесь мотать сами - я неделю перематывал разными проводами, выжимая крохи КПД (и достиг 90%). Желательно индуктивность побольше - меньше потерь на переключение полевика. Однако не слишком усердствуйте - длинный провод в дросселе - это оммические потери.

Конденсатор 47мкФ х 16В нужен для сглаживания пульсаций при переключении полевика: паразитная ёмкость сток-исток, а также паразитная ёмкость силового дросселя, перезаряжающиеся на 800В за 100нС жрут эпический импульсный ток, дающий прострел, приводящий микросхему таймера в ужас. В принципе, идеальным вариантом был бы керамический кондюк на пол-микрофарады, но у меня такого не нашлось, да и электролит с задачей справился. Очень важно, чтобы ножки кондюка на плате были как можно ближе к истоку полевика и резистору R4, охватывая сильноточную цепь с обоих концов.

Ах да, что делать тем, кому 6 Ватт мало! В параллель резистору R4 поставьте ещё один такой же и получите 12 Ватт выходной мощи. Если ещё один поставить, будет 18 Ватт и т.д. Эксперименты закончатся задымившим дросселем или сварившимся полевиком. Меня 6 Ватт на выходе пока устраивает, так что я обхожусь без кипячения деталей. Насчёт полевиков имейте в виду - они склонны к лавинообразному выгоранию: при нагреве полевика его проходное сопротивление увеличивается, тем самым ещё больше увеличивая нагрев. Поэтому полевик без радиатора пребывает в двух состояниях: либо холодный, либо раскалённый. Советую первое.

Моя схема: Полевик: STW11NM80, 800V, 0.35Ohm (typical), 1630pF gate; Выходной диод: MUR180E, 800V, 1A, 75nS; Защитный диод: ZRM11C, 1000V, 1.2A; Кондюк: 2шт. металлоплёночных 1200V, 22nF (керамика ещё не пришла)- явно нужно больше: пока основной блок кондюков не подключен к выходу, напруга 799-803В (при подключении блока - 785В держится стабильно); Выходная мощность - 11.5Вт, КПД 84% (замерено при 200В с резисторной нагрузкой). На 6Вт КПД переваливает за 90%.