leoniv (leoniv) wrote,
leoniv
leoniv

Category:

ДБ-95 – питание



Следующий шаг в создании нового блока управления для двигателя ДБ-95 – схема управляемого генератора тока, который будет питать обмотки двигателя. Поскольку ключи обмоток находятся внизу (замыкают выводы обмоток на землю), генератор тока должен быть вверху, на питании +24 В. Схемотехнически это не очень удобно, но в данном случае задачу можно упростить. Дело в том, что здесь не нужен хороший генератор тока. Он все равно будет внутри петли обратной связи по скорости, поэтому точность и долговременная стабильность его параметров не играют роли. Выходное сопротивление тоже может быть не очень большим. Судя по модели, стремление приблизить генератор тока к идеальному не несет никаких улучшений. Конечно, совсем плохо тоже делать не следует.



Наиболее простой вариант – это сделать управляемый генератор тока внизу (у потенциала земли), а затем отразить ток токовым зеркалом. Такой генератор тока реализуется на одном ОУ и транзисторе. Токовое зеркало будет вне петли ООС этого ОУ, что положительно скажется на устойчивости. К тому же, не придется бояться плохой реакции на выбросы, связанные с работой ключей. Точность, конечно, будет хуже, но это здесь не имеет особого значения – все будет внутри петли регулировки скорости.

Upd: zoog2 подсказал замечательную идею по поводу схемы токового зеркала, за что ему большое спасибо! Пост обновил, в конце привел новую схему токового зеркала.



Обычно токовое зеркало строится на двух одинаковых транзисторах (рис. A). Отраженный ток равен по величине управляющему току. В данном случае это не подойдет, потому что ток питания двигателя может достигать 2 А, а делать такой большой управляющий ток нет смысла. Если в эмиттеры транзисторов токового зеркала добавить резисторы, то отношением их номиналов можно задать желаемое отношение токов (рис. B). Это отношение на практике выдерживается лишь приблизительно, но и этого достаточно. В данном случае разумное значение управляющего тока будет где-то 10 мА. Оно ограничено нагревом компонентов. Отношение токов получается 200. Можно выбрать R2 = 0.47 Ом, R1 = 100 Ом.

При больших токах коллектора коэффициент передачи тока биполярных транзисторов не очень высокий. Например, для транзистора TIP42 при токе 2 А коэффициент передачи тока составляет примерно 50. Получается, ток базы будет достигать 40 мА. Это намного больше управляющего тока, такое токовое зеркало работать не будет. Есть вариант токового зеркала с дополнительным транзистором (рис. C), который способен обеспечить необходимый ток базы. Но такая схема имеет недостаток – дополнительный транзистор будет рассеивать значительную мощность. Гораздо практичней применить схему Дарлингтона (рис. D), тогда ток базы мощного транзистора не теряется зря, а проходит через нагрузку. Недостатком является большее напряжение насыщения, но в данном случае это не так критично.

У транзистора Дарлингтона последовательно включены два эмиттерных перехода, поэтому в левой ветке токового зеркала их тоже должно быть два. Фактически, транзисторы там используются в качестве диодов. Тем не менее, в схемах токовых зеркал обычно рисуются именно транзисторы. Сделано это для того, чтобы получить как можно более близкие характеристики переходов. Но на практике прецизионное токовое зеркало можно реализовать разве что внутри микросхемы. На дискретных компонентах мы лишь весьма приблизительно можем выдержать идентичность переходов, плотности токов в них, температуры. Особенно, если в одном плече используются мощные транзисторы, площадь эмиттерного перехода которых больше в неизвестное число раз. Да еще составные, где токи эмиттеров сильно отличаются. Поэтому в другом плече придется подбирать что-то более-менее соответствующее. Нет смысла туда ставить точно такие же транзисторы.



В простейшем случае эквивалентом двух переходов транзисторов могут служить два последовательно соединенных диода. С ними получается вполне нормальная передаточная характеристика, лишь в самом начале виден небольшой загиб. Падение на выбранных диодах чуть меньше необходимого. Надо сказать, что разные типы диодов в этом смысле сильно отличаются. Например, два диода 1N4148 дают совсем другую картину, чем BAV99.



А вот с температурным коэффициентом все относительно хорошо. У p-n перехода кремниевого диода или транзистора температурный коэффициент примерно равен 2.3 мВ/градус. Ниже приведено семейство графиков, снятое при изменении температуры от 10 до 60 градусов с шагом 10 градусов. Как видим, вариации тока совсем незначительные.



Чтобы не подбирать типы диодов, можно сделать на транзисторе умножитель напряжения Vbe. Это двухполюсник, который ведет себя подобно цепочке диодов. Количество эквивалентных диодов можно плавно менять соотношением резисторов.



На семействе графиков ниже показаны передаточные характеристики для R80 = 3 кОм, 3.3 кОм, 3.6 кОм. Видно, что направление кривизны начального участка может меняться на противоположное. А при номинале 3.3 кОм получаем близкую к линейной зависимость.



Конечно, это только для тех типов транзисторов, которые выбраны в модели. Для других типов оптимальное отношение резисторов будет другим.

Вместе с падением напряжения меняется и температурный коэффициент двухполюсника. С номиналами, приведенными на схеме, этот коэффициент будет больше, чем у двух диодов. Это означает, что с повышением температуры выходной ток будет уменьшаться.



Это свойство может оказаться полезным. Регулирующий транзистор рассеивает значительную мощность и нагревается во время работы. При этом выходной ток растет. Если от транзистора будет нагреваться плата, за счет нагрева второго плеча токового зеркала увеличение тока будет частично компенсироваться. Частично – потому что кристалл регулирующего транзистора всегда горячее. Поэтому некоторый избыточный температурный коэффициент у левого плеча токового зеркала может улучшить компенсацию. Принесет ли это пользу – зависит от тепловой модели устройства. В любом случае, можно взять резисторы одинаковыми, тогда этот двухполюсник будет эквивалентен двум последовательно соединенным диодам.

Генератор тока должен управляться сигналом ШИМ, о его свойствах было написано в прошлый раз (там ШИМ + сигма-дельта). Исходя из свойств сигнала можно выбрать характеристики фильтра. Для построения фильтра нужен повторитель. Здесь имеется ОУ, но он работает в схеме активного генератора тока. Когда ОУ охвачен обратной связью, входной сигнал неинвертирующего входа повторяется на инвертирующем. В данном случае это тоже так. К тому же, здесь есть приятная особенность – импеданс цепи инвертирующего входа сравнительно маленький. Это позволяет подключать сюда элементы фильтра, не боясь искажений АЧХ.

Для расчета фильтра 3-го порядка на одном ОУ использовал софт от OKAWA Electric Design. Был выбран фильтр Чебышева с частотой среза 400 Гц и пульсациями 0.2 дБ.



Полная схема управляемого генератора тока приведена ниже:



Спад АЧХ на частоте 1 кГц – более 20 дБ, на частоте 62.5 кГц – более 100 дБ.



Выбросы на переходной характеристике не превышают 5%.



Проверка источника тока на макете прошла успешно. Конечно, взятые мной транзисторы не соответствовали тому, что показывал симулятор. Сделал резисторы в двухполюснике одинаковыми, это более универсальный вариант.

Вообще, выбор транзисторов для этого проекта не очень простой. По крайней мере, в тумбочке подходящих транзисторов не оказалось.

Есть некий набор «народных» деталей, которые легко достать. Раньше это были К140УД7, К554СА3, КД521, КТ315/361, КТ814/815, КТ805/837... Теперь это LM358, LM393, BAV99, BC847/857, BCP53/56, TIP41/42... Когда приходится выходить за рамки «народного» набора, всегда чувствуется некая беспомощность как разработчика.

Для генератора тока я не беру готовый транзистор Дарлингтона, а собираю его из двух отдельных транзисторов. Для этого есть две причины. Во-первых, так будет меньше температурная нестабильность. Когда оба транзистора находятся в одном корпусе, второй транзистор будет такой же горячий, как и регулирующий. Если же второй транзистор разместить на плате, его нагрев будет меньше, а вместе с ним и дрейф напряжения Vbe. Во-вторых, p-n-p транзисторы Дарлингтона в корпусе TO-220F (изолированном) – редкость.

Наиболее вероятными претендентами являются транзисторы 2SB1375 и KTA1046 (2SA1046). Они есть в наличии на радиорынке и в Чип и Дип. Но у меня под рукой их нет, временно поставил TIP42C в обычном TO-220.

В качестве ключей в оригинальной плате применяются КТ816. Аналогов таких транзисторов в SMD у меня тоже не нашлось. «Народные» BCP53 являются аналогами скорее для КТ814, у них маловат допустимый ток. Поиск дал несколько кандидатов: BCP69, BDP950, STN951, PBSS5540Z, PZT751T1G, FZT751. Последний транзистор из этого списка есть на радиорынке. Такой же транзистор понадобится и в генератор тока в качестве предвыходного, рассеиваемая мощность (300 мВт) великовата для BC857.



Можно снизить максимальный ток до 1 А. Это скажется только на динамике разгона. Максимальная скорость зависит от напряжения питания, с ростом скорости потребляемый ток падает. Даже во время разгона максимальный ток наблюдается только в самый первый момент. Поэтому время готовности сильно не увеличится. Зато можно будет применить для ключей BCP53, а они у меня есть.

Upd: zoog2 предложил вместо схемы Дарлингтона (invented in 1953 by Sidney Darlington) применить схему Шиклаи (the configuration is named for its early popularizer, George C. Sziklai). При этом появляется сразу несколько преимуществ. Со стороны базы виден всего один эмиттерный переход, в другом плече токового зеркала достаточно одного транзистора. Можно применить транзистор того же типа, что и предоконечный, тогда будет обеспечена идентичность параметров. Нагрев выходного транзистора почти не сказывается на выходном токе. Выходной транзистор нужен структуры n-p-n, такие транзисторы намного боле распространены, даже в изолированном корпусе TO-220F. Можно выбрать транзистор с высоким коэффициентом передачи тока, тогда в качестве предоконечного транзистора можно поставить обычный BC857.



Передаточная характеристика имеет хорошую линейность, так как пара транзисторов в токовом зеркале собрана из транзисторов одного типа:



Температурный коэффициент очень незначительный, семейство графиков снято при вариации температуры от 10 до 60 градусов:



Как показатель качества генератора тока ниже показано семейство графиков напряжения на нагрузке (красные графики) и тока (зеленые графики), снятые при разных сопротивлениях нагрузки. Как видно, ток практически не зависит от напряжения:



Даже с транзистором TIP41C мощность рассеяния на предвыходном транзисторе не превышает 130 мВт, что позволяет применить обычные BC857 в корпусе SOT-23.



Проверка на макете показала хорошую работу этой схемы токового зеркала. Особенно порадовало, что нагрев радиатора с выходным транзистором практически не влияет на выходной ток.



Транзисторов структуры n-p-n в изолированном корпусе TO-220F в продаже довольно много. Даже несколько типов нашлось в тумбочке. Можно подобрать транзистор с довольно высоким коэффициентом передачи тока. Подойдут 2SD2092, 2SC3852, 2SD2061, 2SD2012 и многие другие. Главное, не брать высоковольтные транзисторы (Vce > 100 В), у них, как правило, коэффициент передачи тока относительно маленький. Вообще, удивляет такая широкая номенклатура транзисторов, многие из которых имеют практически идентичные параметры. Интересно, зачем понадобилось делать столько разных типов?

Еще раз хочу поблагодарить zoog2 за прекрасную идею!

Tags: electronics, reel-to-reel, Электроника-004, катушечник, магнитофон
Subscribe

  • Эффект горячего шоколада

    Кофе я не люблю. Вернее, не так: он мне безразличен. Особого вкуса в нем не нахожу. С трудом могу отличить вкус кофе от вкуса какао. В детстве у…

  • Чипсы

    За окном, вроде, пятница, хочется написать пост ни о чем. Технические посты, если судить по реакции, всем уже надоели. Мне всегда казалось, что в…

  • Пост

    Пост про холодные закуски.

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 27 comments

  • Эффект горячего шоколада

    Кофе я не люблю. Вернее, не так: он мне безразличен. Особого вкуса в нем не нахожу. С трудом могу отличить вкус кофе от вкуса какао. В детстве у…

  • Чипсы

    За окном, вроде, пятница, хочется написать пост ни о чем. Технические посты, если судить по реакции, всем уже надоели. Мне всегда казалось, что в…

  • Пост

    Пост про холодные закуски.