Ani se mne neptejte proč, prostě jsem dostal za úkol postavit regulátor otáček obyčejného autostartéru, který by se měl používat pro navíjení nějakého lana na nějaký buben. Startér — od Oktavky.
Takže, napěti — kolem 12V, proud — asi tak 100A max., regulace — PWM, samozřejmě. Stabilizace otáček, naštěstí, není zapotřebí.
Blokově bych rozdělil regulátor na výkonový blok a blok generaci PWM-signálu. Generovat PWM budu pomoci timeru 555.
Regulace od zhruba 10% do 99% se provádí potenciometrem R1, R2 pak omezuje proud přes tranzistor v 555 na 20mA. Spínačka — něco nad 20kHz, určena C3. Takových bloků jsem si kdysi vyrobil hned několik, právě teď se bude hodít.
Teď to složitější. Jako první krok, zvolím si regulační prvek. Základní možnosti jsou tři: bipolár, MOSFET, IGBT. Abych uřídil bipolár, jeho báze bude chtít minimálně 10A, těžko se dá zapojit paralelně, úbytek napěti zhruba 0,2V v nasyceném stavu. IGBT jsou pomalejší, ačkoliv se nenasycuji (sice na 20kHz bych to neřešil), a máji úbytky napěti od 0,5V a vice, což při 100 ampérech by mi produkovalo 50W tepla. MOSFETy — to je právě ono: když se omezím produkováním 10W tepla, maximální úbytek napěti musí byt 0,1V a odpor spínacího prvku 1mΩ. Tady vyčnívá hlavní jejich výhoda, a to jednoduché zapojeni několika MOSFETů paralelně. Který typ bych ale použil a jak bych je zapojil? Jsou dvě možnosti.
Jednodušší se zda použití p-MOSFETu, protože pro řízení n-MOSFETu potřebujeme na jeho hradle mít napětí o 10…15V větší, než na odtoku. Ovšem p-čkové tranzistory mají mno-o-ohem větší vstupní kapacitu, větší odpor v otevřeném stavu a při podobných parametrech jsou mnohem a mnohem dražší. Další problémy přináší zapojení se společným odtokem, které mnohonásobně zvětší samu o sobě velkou vstupní kapacitu.
N-kový tranzistor je tady zapojen se společným přítokem a jeho vstupní kapacita se nemění. Zvolený IRF1404 má 5,7nF; když vezmu 10 tranzistorů a rozdělím na dvě skupiny po 5ks, budu muset uřídit 30nF. Jako driver — klasický push-pull.
Nicméně, dostatečně rychlé takový obvod dokáže MOFETy jen vypnout a to i s prehistorickou BSS138. Mnohem horší je to se zapnutím. 30nF je dost tvrdá zátěž, kterou nízkovýkonové tranzistory neutáhnou, a trochu výkonnější BD139/140 mají mnohem nižší proudový přenos. Abychom se mohli bavit o době zapnuti alespoň jednotek mikrosekund, potřebujeme maximálně kilohmový rezistor v přítoku invertoru před push-pullem, který by zbytečně produkoval do 0,6W (při 100% střídě) tepla a celé schéma by bylo příliš citlivé na parametry tranzistorů.
Hezčí cestou bude náhrada rezistoru za dynamickou zátěž. S ní bude naše schéma necitlivé na parametry aktivních prvku, a co se tyká casů, tak tady se už můžeme bavit i o stovkách nanosekund. Na přítokovém rezistoru teď moc nezáleží a může byt 10…30kΩ.
Jelikož, jak již jsem zmínil, n-kanálové FETy potřebuji vyšší napětí pro jejích řízení, budeme potřebovat měnič, výstupní napětí kterého bude, třeba, o 12V vyšší, než napájecí.
Měnič postavíme na nalezeném v supliku LT1371, vstup zpětné vazby kterého zapojíme na výstup rozdílového zesilovače. Ten by mel hlídat zmíněný 12V-rozdíl výstupního a napájecího napětí měniče a řídit jej. Napětí interní referenci LT1371 je 1,245V, takže operák by nám měl zajistit rovnost:
U2−U1=Uref, anebo 24V−12V=1,245V.
No, zrovna toto rovnost až tak není, ale všemohoucí operák to zvládne.
Tady jsem měl obrovskou kliku: R1 a R3 jsou 100kΩ, R2 a R4 — 10kΩ, žádné nestandardní hodnoty.
Chtělo by to ještě trochu blbuvzdornosti. Především musíme ochránit před nadměrným vybitím baterku. Minimální bezmezné napětí na článku olověného akumulátoru je kolem 1,75…1,8V, čili 10,5…10,8 na baterii. Mam nějakou referenci TL4050 na 4,096V a druhou půlku operáku (první funguje ve zmíněném výše rozdílovém zesilovači). Výstup napojíme na vstup "On" LT1371.
Takže, pokud napětí na baterce klesne pod ≈10,8V měnič se prostě vypne.
A ještě bychom měli hlídat vlastně sám měnič, protože když nenaběhne, MOSFETy se naplno neotevřou a docela brzo odejdou do křemíkového nebe. A jelikož zmíněné výše napětí 1,245V jeho zpětné vazby je odvozené od jeho výstupního, právě jej budeme hlídat pomoci obyčejného komparátoru a v případě nějakých problémů prostě zablokujeme MOSFETy.
V podstatě, už můžeme stavět zkušební vzorek.
Na něm všechny obvody vyzkoušíme a vyladíme, pak můžeme nakreslit finální schéma:
Takže, především na něm vidíme dva silnoproudové spínače na IRF1404. Řízené jsou drivery na BD139/BD140, které se dá zablokovat přes protekční diody komparátorem (IC13a). Ochrana se aktivuje při kritickém poklesu napájecího napěti (IC11b) a při nedostatečném napěti na výstupu měniče (IC11a).
Co se tyká desky, je oboustranná, plus několik drátových propojek pro zachování celistvého polygonu. No, a jelikož 35µm měděná folie 100 ampérů neutáhne, je posílená měděným odsávacím knotem.
Neměl jsem možnost vyzkoušet desku při plné zátěži, ale věřím, že nezklame. V opačném případě můžete se těšit na pokračování.
