...
Для зажигания газа требуется высоковольтный источник питания. У разных типов ламп напряжение зажигания может быть разным, но для всех неоновых индикаторов оно лежит в пределах 150-200 В. Раньше такое напряжение снимали со вторичной обмотки габаритного и увесистого трансформатора, который одновременно питал и низковольтную часть прибора, но сейчас достать такой специфичный трансформатор становится весьма проблематично.
С помощью современной электронной базы можно создать малогабаритный преобразователь, с меньшей стоимостью и более высоким КПД, который элементарно разместится в плоскости основной платы. Все устройство может питаться от низковольтного источника питания, например, готового импульсного блока питания, а высокое напряжение для NIXIE будет получаться штатно непосредственно из низковольтного. Такой же принцип питания используется в ЖК-дисплеях и многих других современных бытовых приборах. Разберемся в принципе работы повышающего преобразователя.
Повышающий преобразователь состоит из источника питания В, дросселя L, ключа SW, диода VD, накопительного конденсатора С и нагрузочного сопротивления R.
При замыкании ключа SW [обозначено красным] дроссель L окажется напрямую подключенным к источнику питания. В силу инерционности дросселя (фундаментальное свойство индуктивности) ток не может увеличиться скачкообразно, а будет нарастать линейно, при этом будет происходить накопление энергии магнитного поля. Напряжение в точке соединения диода VD и дросселя L равно нулю, поэтому диод закрыт. Подачу тока в это время в нагрузку обеспечивает конденсатор С. При размыкании ключа SW (обозначено синим) ток не может мгновенно уменьшиться, опять же в силу инерционности дросселя, и поэтому продолжает течь. Напряжение на катушке мгновенно увеличивается до уровня, обеспечивающего протекание тока. В теории — хоть до бесконечности, в реальности же произойдет искровой разряд через воздух. Но дроссель слева подключен к источнику питания, а справа через диод к накопительному конденсатору с уже имеющимся некоторым зарядом. Таким образом, нарастание напряжения продолжится с напряжения, имеющегося на конденсаторе. Ток в дросселе при этом будет линейно уменьшаться, а напряжение на конденсаторе расти. Величина напряжения в пике зависит от нескольких факторов: индуктивности дросселя, длительности открытого, закрытого состояния ключа и скорости его выключения. Величина пульсаций этого напряжения как параметр качества питания, в свою очередь, зависит от: емкости конденсатора, частоты работы ключа и тока потребляемого нагрузкой. Важно, чтобы ни при каких обстоятельствах сердечник дросселя не переходил в насыщение. Если это происходит, то дроссель уже не в состоянии накапливать энергию магнитного поля, а сопротивление его по постоянному току становится крайне мало. Это означает, что в насыщении мощный дроссель превращается в простой проводник, который замыкает через ключ источник питания. В результате КПД устройства резко падает, а ключ и источник питания сильно разогреваются. В конечном счете, это приводит к выходу из строя ключа или источника питания. Чтобы этого не произошло, нужно правильно выбрать параметры преобразователя.
Итак, перед нами одна из тысяч схем повышающих преобразователей. Хочется сразу обратить внимание, что схема несколько нестандартна. Обычно для управления силовым ключом используется специальный ШИМ-контролер, например, МСЗД063. Здесь используется универсальный аналоговый таймер NE555, а управление и стабилизация реализована с помощью частотной модуляции [1]. Интересно заметить, что многие специализированные микросхемы ШИМ-контролеров в своем сердце имеют все тот же универсальный таймер. Разберемся, как работает преобразователь.
Таймер NE555 включен как мультивибратор по стандартной схеме. Цепочкой R5 R6 C4 определяется частота и скважность импульсов. Таймер обеспечивает работу повышающего преобразователя L1 VT1 VD1 СЗ. На резисторах R1R2R3 собран делитель напряжения, который вместе с VT2 и R4 образуют цепь обратной связи. Вывод CONTR-таймера позволяет получить доступ к опорному напряжению компаратора. Если транзистор VT2 начинает открываться, то это приведет к притягиванию внутреннего опорного напряжения к земле, вследствие чего увеличивается частота генерации. Увеличение частоты при неизменных остальных элементах приводит к уменьшению выходного напряжения. Это легко видно из уравнения баланса накопленной и расходуемой энергии [1]. В качестве ключе используется IRF830 с максимальным напряжением 500 В, максимальнымтоком4Аи сопротивлением канала 1,5 Ом. Диод высокочастотный FR04 с обратным напряжением 400 В, Дроссель— 100 мкГн, рассчитанный на ток не менее 4 А. Для IRF830требуется также небольшой радиатор, так как в пике через него проходит весьма солидный ток.
В цепи обратной связи используется высоковольтный транзистор ВF487, с максимальным напряжением коллектор-эмиттер 400 В. На самом деле, нет строгой необходимости использовать именно этот транзистор. Вместо него подойдет и любой другой низковольтный маломощный транзистор структуры n-p-n, например, ВС547. Но эта схема не имеет никаких цепей и средств защиты от коротких замыканий или перегрузок. В повышающих преобразователях без серьезного усложнения и вмешательства в основную цепь питания невозможно реализовать такую защиту. Как показала практика, нестандартные ситуации, имеющие место в основном на этапе макетирования и отладки, приводят к высоковольтному выбросу и выходу из строя именно этого транзистора, поэтому его применение оправдано.
В качестве повышающего преобразователя можно использовать и другую схему, скажем, на той же МС34063. но описанная выше— самая простая и неприхотливая. К тому же, трудностей с доставанием NE555 по определению быть не может, это очень распространенная микросхема. Подробнее о методике расчета импульсных источников питания читай в книге Раймонда Мэка «Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению».