Управление н мостом. Схемы H-мостов для управления ходовыми двигателями роботов и других движущихся устройств
В этой статье мы рассмотрим обозначение радиоэлементов на схемах.
С чего начать чтение схем?
Для того, чтобы научиться читать схемы, первым делом, мы должны изучить как выглядит тот или иной радиоэлемент в схеме. В принципе ничего сложного в этом нет. Вся соль в том, что если в русской азбуке 33 буквы, то для того, чтобы выучить обозначения радиоэлементов, придется неплохо постараться.
До сих пор весь мир не может договориться, как обозначать тот или иной радиоэлемент либо устройство. Поэтому, имейте это ввиду, когда будете собирать буржуйские схемы. В нашей статье мы будем рассматривать наш российский ГОСТ-вариант обозначения радиоэлементов
Изучаем простую схему
Ладно, ближе к делу. Давайте рассмотрим простую электрическую схему блока питания, которая раньше мелькала в любом советском бумажном издании:
Если вы не первый день держите паяльник в руках, то для вас с первого взгляда сразу все станет понятно. Но среди моих читателей есть и те, кто впервые сталкивается с подобными чертежами. Поэтому, эта статья в основном именно для них.
Ну что же, давайте ее анализировать.
В основном, все схемы читаются слева-направо, точно также, как вы читаете книгу. Всякую разную схему можно представить в виде отдельного блока, на который мы что-то подаем и с которого мы что-то снимаем. Здесь у нас схема блока питания, на который мы подаем 220 Вольт из розетки вашего дома, а выходит уже с нашего блока постоянное напряжение . То есть вы должны понимать, какую основную функцию выполняет ваша схема . Это можно прочесть в описании к ней.
Как соединяются радиоэлементы в схеме
Итак, вроде бы определились с задачей этой схемы. Прямые линии – это провода, либо печатные проводники, по которым будет бежать электрический ток . Их задача – соединять радиоэлементы.
Точка, где соединяются три и более проводников, называется узлом . Можно сказать, в этом месте проводки спаиваются:
Если пристально вглядеться в схему, то можно заметить пересечение двух проводников
Такое пересечение будет часто мелькать в схемах. Запомните раз и навсегда: в этом месте провода не соединяются и они должны быть изолированы друг от друга . В современных схемах чаще всего можно увидеть вот такой вариант, который уже визуально показывает, что соединения между ними отсутствует:
Здесь как бы один проводок сверху огибает другой, и они никак не контактируют между собой.
Если бы между ними было соединение, то мы бы увидели вот такую картину:
Буквенное обозначение радиоэлементов в схеме
Давайте еще раз рассмотрим нашу схему.
Как вы видите, схема состоит из каких-то непонятных значков. Давайте разберем один из них. Пусть это будет значок R2.
Итак, давайте первым делом разберемся с надписями. R – это значит . Так как у нас он не единственный в схеме, то разработчик этой схемы дал ему порядковый номер “2”. В схеме их целых 7 штук. Радиоэлементы в основном нумеруются слева-направо и сверху-вниз. Прямоугольник с чертой внутри уже явно показывает, что это постоянный резистор с мощностью рассеивания в 0,25 Ватт. Также рядом с ним написано 10К, что означает его номинал в 10 Килоом. Ну как-то вот так…
Как же обозначаются остальные радиоэлементы?
Для обозначения радиоэлементов используются однобуквенные и многобуквенные коды. Однобуквенные коды – это группа , к которой принадлежит тот или иной элемент. Вот основные группы радиоэлементов :
А – это различные устройства (например, усилители)
В – преобразователи неэлектрических величин в электрические и наоборот. Сюда могут относиться различные микрофоны, пьезоэлементы, динамики и тд. Генераторы и источники питания сюда не относятся .
С – конденсаторы
D – схемы интегральные и различные модули
E – разные элементы, которые не попадают ни в одну группу
F – разрядники, предохранители, защитные устройства
H – устройства индикации и сигнальные устройства, например, приборы звуковой и световой индикации
K – реле и пускатели
L – катушки индуктивности и дроссели
M – двигатели
Р – приборы и измерительное оборудование
Q – выключатели и разъединители в силовых цепях. То есть в цепях, где “гуляет” большое напряжение и большая сила тока
R – резисторы
S – коммутационные устройства в цепях управления, сигнализации и в цепях измерения
T – трансформаторы и автотрансформаторы
U – преобразователи электрических величин в электрические, устройства связи
V – полупроводниковые приборы
W – линии и элементы сверхвысокой частоты, антенны
X – контактные соединения
Y – механические устройства с электромагнитным приводом
Z – оконечные устройства, фильтры, ограничители
Для уточнения элемента после однобуквенного кода идет вторая буква, которая уже обозначает вид элемента . Ниже приведены основные виды элементов вместе с буквой группы:
BD – детектор ионизирующих излучений
BE – сельсин-приемник
BL – фотоэлемент
BQ – пьезоэлемент
BR – датчик частоты вращения
BS – звукосниматель
BV – датчик скорости
BA – громкоговоритель
BB – магнитострикционный элемент
BK – тепловой датчик
BM – микрофон
BP – датчик давления
BC – сельсин датчик
DA – схема интегральная аналоговая
DD – схема интегральная цифровая, логический элемент
DS – устройство хранения информации
DT – устройство задержки
EL – лампа осветительная
EK – нагревательный элемент
FA – элемент защиты по току мгновенного действия
FP – элемент защиты по току инерционнго действия
FU – плавкий предохранитель
FV – элемент защиты по напряжению
GB – батарея
HG – символьный индикатор
HL – прибор световой сигнализации
HA – прибор звуковой сигнализации
KV – реле напряжения
KA – реле токовое
KK – реле электротепловое
KM – магнитный пускатель
KT – реле времени
PC – счетчик импульсов
PF – частотомер
PI – счетчик активной энергии
PR – омметр
PS – регистрирующий прибор
PV – вольтметр
PW – ваттметр
PA – амперметр
PK – счетчик реактивной энергии
PT – часы
QF
QS – разъединитель
RK – терморезистор
RP – потенциометр
RS – шунт измерительный
RU – варистор
SA – выключатель или переключатель
SB – выключатель кнопочный
SF – выключатель автоматический
SK – выключатели, срабатывающие от температуры
SL – выключатели, срабатывающие от уровня
SP – выключатели, срабатывающие от давления
SQ – выключатели, срабатывающие от положения
SR – выключатели, срабатывающие от частоты вращения
TV – трансформатор напряжения
TA – трансформатор тока
UB – модулятор
UI – дискриминатор
UR – демодулятор
UZ – преобразователь частотный, инвертор, генератор частоты, выпрямитель
VD – диод , стабилитрон
VL – прибор электровакуумный
VS – тиристор
VT –
WA – антенна
WT – фазовращатель
WU – аттенюатор
XA – токосъемник, скользящий контакт
XP – штырь
XS – гнездо
XT – разборное соединение
XW – высокочастотный соединитель
YA – электромагнит
YB – тормоз с электромагнитным приводом
YC – муфта с электромагнитным приводом
YH – электромагнитная плита
ZQ – кварцевый фильтр
Графическое обозначение радиоэлементов в схеме
Постараюсь привести самые ходовые обозначения элементов, используемые в схемах:
Резисторы и их виды
а ) общее обозначение
б ) мощностью рассеяния 0,125 Вт
в ) мощностью рассеяния 0,25 Вт
г ) мощностью рассеяния 0,5 Вт
д ) мощностью рассеяния 1 Вт
е ) мощностью рассеяния 2 Вт
ж ) мощностью рассеяния 5 Вт
з ) мощностью рассеяния 10 Вт
и ) мощностью рассеяния 50 Вт
Резисторы переменные
Терморезисторы
Тензорезисторы
Варисторы
Шунт
Конденсаторы
a ) общее обозначение конденсатора
б ) вариконд
в ) полярный конденсатор
г ) подстроечный конденсатор
д ) переменный конденсатор
Акустика
a ) головной телефон
б ) громкоговоритель (динамик)
в ) общее обозначение микрофона
г ) электретный микрофон
Диоды
а ) диодный мост
б ) общее обозначение диода
в ) стабилитрон
г ) двусторонний стабилитрон
д ) двунаправленный диод
е ) диод Шоттки
ж ) туннельный диод
з ) обращенный диод
и ) варикап
к ) светодиод
л ) фотодиод
м ) излучающий диод в оптроне
н ) принимающий излучение диод в оптроне
Измерители электрических величин
а ) амперметр
б ) вольтметр
в ) вольтамперметр
г ) омметр
д ) частотомер
е ) ваттметр
ж ) фарадометр
з ) осциллограф
Катушки индуктивности
а ) катушка индуктивности без сердечника
б ) катушка индуктивности с сердечником
в ) подстроечная катушка индуктивности
Трансформаторы
а ) общее обозначение трансформатора
б ) трансформатор с выводом из обмотки
в ) трансформатор тока
г ) трансформатор с двумя вторичными обмотками (может быть и больше)
д ) трехфазный трансформатор
Устройства коммутации
а ) замыкающий
б ) размыкающий
в ) размыкающий с возвратом (кнопка)
г ) замыкающий с возвратом (кнопка)
д ) переключающий
е ) геркон
Электромагнитное реле с разными группами контактов
Предохранители
а ) общее обозначение
б ) выделена сторона, которая остается под напряжением при перегорании предохранителя
в ) инерционный
г ) быстродействующий
д ) термическая катушка
е ) выключатель-разъединитель с плавким предохранителем
Тиристоры
Биполярный транзистор
Однопереходный транзистор
Для управления двигателями используются так называемые H-мосты, позволяющие путем подачи управляющих логических сигналов на входы вызывать вращение в обе стороны. В данной статье я собрал несколько вариантов Н-мостов. У каждого есть свои достоинства и недостатки, выбор за вами.
ВАРИАНТ №1Это транзисторный H-мост, его достоинсто - это простота изготовления, детали для него есть практически у каждого в хламе, а также он достаточно мощный, особенно если применить КТ816 и КТ817 транзисторы вместо КТ814, КТ815 указанных на схеме. На данный мост нельзя подавать на оба входа лог.1, т.к. произойдет короткое замыкание.
ВАРИАНТ №2
Этот H-мост собран на микросхеме, его достоинство - это одна микросхема:-), а еще то что в ней уже 2 Н-моста. К недостаткам можно отнести то, что микросхема маломощная - макс. ток выхода 600 мА. На линии E можно подавать сигнал ШИМ для управления скоростью, если это не требуется, то вывод Е нужно подключить к плюсу питания.
ВАРИАНТ №3
Этот вариант управления тоже на микросхеме, более мощной, чем L293D, но мост в ней один. Микросхема бывает в трех вариантах S, P, F. На рисунке изобажен вариант S. Вариант P более мощный, а вариант F - для поверхностного монтажа. У всех микросхем разная распиновка, для других смотрите даташит. Кстати эта схема позволяет подавать на оба входа единички, это вызывает торможение двигателя.
ВАРИАНТ №4
Этот мост собран на MOSFET транзисторах, он очень простой и достаточно мощный. На него нельзя подавать одновременно две единицы.
Существует еще достаточно много микросхем управления двигателями (например TLE4205, L298D), но указанные выше - самые популярные. Так же можно собрать Н-мост на обычных электромагнитных реле.
Сегодня мы рассмотрим схему, позволяющую изменять полярность прикладываемого к нагрузке постоянного напряжения.
Необходимость изменять полярность напряжения часто возникает при управлении двигателями или в схемах мостовых преобразователей напряжения. Например, для двигателей постоянного тока это необходимо для изменения направления вращения, а шаговые двигатели или импульсные мостовые DC-DC преобразователи без решения этой задачи вообще не будут работать.
Итак, ниже вы можете видеть схему, которую за внешнюю схожесть с буквой H принято называть H-мостом.
К1, К2, К3, К4 — управляемые ключи
A, B, C, D — сигналы управления ключами
Идея этой схемы очень проста:
Если ключи K1 и К4 замкнуты, а ключи К2 и К3 разомкнуты, то к точке h1 оказывается приложено напряжение питания, а точка h2 замыкается на общий провод. Ток через нагрузку в этом случае течёт от точки h1 к точке h2.
Если сделать наоборот, — ключи К1 и К4 разомкнуть, а ключи К2 и К3 замкнуть, то полярность напряжения на нагрузке изменится на противоположную, — точка h1 окажется замкнута на общий провод, а точка h2 — на шину питания. Ток через нагрузку теперь будет течь от точки h2 к точке h1.
Кроме смены полярности, h-мост, в случае управления электродвигателем, добавляет нам и ещё один бонус — возможность закоротить концы обмоток, что ведёт к резкому торможению нашего движка. Такой эффект можно получить замкнув одновременно либо ключи К1 и К3, либо ключи К2 и К4. Назовём такой случай «режимом торможения». Справедливости ради стоит отметить, что этот бонус H-моста используется значительно реже, чем просто смена полярности (позже будет понятно почему).
В качестве ключей может выступать всё, что угодно: реле, полевые транзисторы, биполярные транзисторы. Промышленность делает H-мосты встроенными в микросхемы (например, микросхема LB1838, драйвер шагового двигателя, содержит два встроенных H-моста) и выпускает специальные драйверы для управления H-мостами (например драйвер IR2110 для управления полевиками). В этом случае, разработчики микросхем конечно стараются выжать максимум бонусов и устранить максимум нежелательных эффектов. Понятно, что такие промышленные решения справляются с задачей лучше всего, но радиохламеры народ бедный, а хорошие микросхемы стоят денег, поэтому мы, ясен пень, будем рассматривать чисто самопальные варианты мостов и схем управления ими.
В самопальщине (то бишь в радиолюбительской практике) чаще всего используют H-мосты либо на мощных MOSFET-ах (для больших токов), либо на биполярных транзисторах (для небольших токов).
Довольно часто сигналы управления ключами попарно объединяют. Объединяют их таким образом, чтобы от одного внешнего сигнала управления формировалось сразу два сигнала управления в нашей схеме (то есть сразу на два ключа). Это позволяет сократить количество внешних сигналов управления с четырёх до двух штук (и сэкономить 2 ноги контроллера, если у нас контроллерное управление).
Объединяют сигналы чаще всего двумя способами: либо A объединяют с B, а C объединяют с D, либо A объединяют с D, а B объединяют с C. Чтобы обозначить и зафиксировать различия, — назовём способ, когда образуют пары AB и CD «общим управлением противофазными ключами» (эти ключи для изменении полярности прикладываемого к нагрузке напряжения должны работать в противофазе, т.е. если один открывается — другой должен закрываться), а способ, когда образуются пары AD и BC назовём «общим управлением синфазными ключами» (эти ключи для изменении полярности работают синфазно, т.е. либо оба должны открываться, либо оба закрываться).
Чтобы было понятнее о чём идёт речь, — смотрим на рисунок справа. Договоримся далее высокий уровень напряжения считать единицей, а низкий — нулём. В левой части рисунка транзисторы управляются независимо друг от друга. Чтобы открыть верхний транзистор — нужно подать сигнал управления А=0, а чтобы его закрыть — нужно подать А=1. Для открытия и закрытия нижнего транзистора нужно подавать B=1 или В=0. Если с помощью дополнительного транзистора объединить сигналы A и В (смотрим правую часть рисунка), то управлять верхним и нижним транзистором можно одним общим сигналом АВ. Когда АВ=1 оба транзистора открываются, а когда АВ=0 — оба закрываются.
На рисунке слева показан H-мост с общим управлением противофазными ключами, а на рисунке справа — с общим управлением синфазными ключами. У1 и У2 — это узлы, позволяющие из одного внешнего общего сигнала сформировать отдельный сигнал на каждый из работающих в паре ключей.
Теперь давайте подумаем что нам даёт каждый из этих двух способов управления.
При общем управлении противофазными ключами мы легко можем сделать так, чтобы оба верхних или оба нижних ключа оказались открыты (если схема такая, как у нас слева, то это произойдёт при AB=CD), то есть нам доступен режим торможения. Однако минус в том, что при таком способе управления мы практически наверняка получим сквозные токи через транзисторы, вопрос будет только в их величине. В проиышленных микрухах для борьбы с этой проблемой вводят специальную цепь задержки для одного из транзисторов.
При общем управлении синфазными ключами мы легко можем побороть сквозные токи (просто нужно сначала подавать сигнал на выключение той пары транзисторов, которая используется в настоящий момент, а уже потом сигнал на включение той пары, которую мы планируем использовать). Однако при таком управлении про режим торможения можно забыть (даже более того, если мы случайно одновременно подадим на оба внешних управляющих сигнала единицу — мы устроим в схеме КЗ).
Поскольку получить сквозные токи гораздо более кислый вариант (бороться с ними непросто), то обычно предпочитают забыть про режим торможения.
Кроме всего вышеперечисленного необходимо понимать, что при частых постоянных переключениях (в преобразователях или при управлении шаговиками), для нас будет принципиально важно не только избежать возникновения сквозных токов, но и добиться максимальной скорости переключения ключей, поскольку от этого зависит их нагрев. Если же мы используем h-мост просто для реверса двигателя постоянного тока, то тут скорость переключения не имеет такого критического значения, поскольку переключения не имеют систематического характера и ключи даже в случае нагрева скорее всего успеют остыть до следующего переключения.
Вот в общем-то и вся теория, если вспомню ещё что-нибудь важное — обязательно напишу.
Как вы понимаете, практических схем H-мостов, как и вариантов управления ими, можно придумать достаточно много, поскольку, как мы уже разобрались, важно учитывать и максимальный ток, и скорость переключения ключей, и варианты объединения управления ключами (а также вообще возможность такого объединения), поэтому для каждой практической схемы нужна отдельная статья (с указанием того, где эту конкретную схему целесообразно использовать). Здесь же я приведу для примера лишь простую схемку на биполярных транзисторах, годящуюся, скажем, для управления не очень мощными двигателями постоянного тока (зато покажу, как её рассчитывать).
Итак, пример:
Сам H-мост выполнен на транзисторах T1, T2, T3, T4, а с помощью дополнительных транзисторов T5, T6 выполнено объединение управления синфазными ключами (сигнал A управляет транзисторами T1 и T4, сигнал B — транзисторами T2 и T3).
Работает эта схема следующим образом:
Когда уровень сигнала A становится высоким — начинает течь ток через резистор R2 и p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы открываются, в результате чего появляется ток через переход БЭ транзистора T1, резистор R1 и открытый транзистор T5, в результате чего открывается транзистор T1.
Когда уровень сигнала A становится низким — запираются p-n переходы БЭ транзисторов T5 и T4, эти транзисторы закрываются, прекращает течь ток через переход БЭ транзистора T1 и он тоже закрывается.
Как такую схему рассчитать? Очень просто. Пусть у нас напряжение питания 12В, максимальный ток двигателя 1А и сигнал управления также 12-ти вольтовый (состоянию «1» соответствует уровень напряжения около 12В, состоянию «0» — уровень около нуля вольт).
Сначала выбираем транзисторы T1, T2, T3, T4. Подойдут любые транзисторы, способные выдержать напряжение 12В и ток 1А, например, КТ815 (npn) и его комплиментарная пара — КТ814 (pnp). Эти транзисторы рассчитаны на ток до 1,5 Ампер, напряжение до 25 Вольт и имеют коэффициент усиления 40.
Рассчитываем минимальный ток управления транзисторов T1, T4: 1А/40=25 мА.
Рассчитываем резистор R1, полагая, что на p-n переходах БЭ транзисторов T1, T4 и на открытом транзисторе T5 падает по 0,5В: (12-3*0,5)/25=420 Ом. Это максимальное сопротивление, при котором мы получим нужный ток управления, поэтому мы выберем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 390 Ом. При этом наш ток управления будет (12-3*0,5)/390=27 мА, а рассеиваемая на резисторе мощность: U 2 /R=283 мВт. То есть резистор надо ставить на 0,5 Вт (ну или поставить несколько 0,125 ваттных параллельно, но чтоб их общее сопротивление получилось 390 Ом)
Транзистор T5 должен выдерживать всё те же 12В и ток 27 мА. Подойдёт, например, КТ315А (25 Вольт, 100 мА, минимальный коэффициент усиления 30).
Рассчитываем его ток управления: 27 мА / 30 = 0,9 мА.
Рассчитываем резистор R2, полагая, что на переходах БЭ транзисторов T5 и T4 падает по 0,5 В: (12-2*0,5)/0,9 = 12 кОм. Опять выбираем ближайшее меньшее значение из стандартного ряда: 10 кОм. При этом ток управления T5 будет 1,1 мА и на нём будет рассеиваться 12,1 мВт тепла (то есть подойдёт обычный резистор на 0,125 Вт).
Вот и весь расчёт.
Далее хотелось бы поговорить вот о чём. В приведённых в статье теоретических схемах H-мостов у нас нарисованы только ключи, однако в рассматриваемом примере, кроме ключей присутствуют ещё одни элементы — диоды. Каждый наш ключ шунтирован диодом. Зачем это сделано и можно ли сделать как-то иначе?
В нашем примере мы управляем элетродвигателем. Нагрузкой, на которой мы переключаем полярность с помощью H-моста, является обмотка этого двигателя, то есть нагрузка у нас индуктивная. А у индуктивности есть одна интересная особенность — ток через неё не может измениться скачком.
Индуктивность работате как маховик — когда мы его раскручиваем — он запасает энергию (и мешает раскручиванию), а когда мы его отпускаем — он продолжает крутиться (расходуя
запасённую энергию). Так и катушка, — когда к ней прикладывают внешнее напряжение — через неё начинает течь ток, но он не резко вырастает, как через резистор, а постепенно, поскольку часть передаваемой источником питания энергии не расходуется на разгон электронов, а запасается катушкой в магнитном поле. Когда мы это внешнее напряжение убираем, — ток через катушку тоже не спадает мгновенно, а продолжает течь, уменьшаясь постепенно, только теперь уже на поддержание этого тока расходуется запасённая ранее в магнитном поле энергия.
Так вот. Посмотрим ещё раз наш самый первый рисунок (вот он, справа). Допустим у нас были замкнуты ключи К1 и К4. Когда мы эти ключи размыкаем, у нас через обмотку продолжает течь ток, то есть заряды продолжают перемещаться от точки h1 к точке h2 (за счёт энергии, накопленной обмоткой в магнитном поле). В результате этого перемещения зарядов, потенциал точки h1 падает, а потенциал точки h2 вырастает. Возникновение разности потенциалов между точками h1 и h2 при отключении катушки от внешнего источника питания известно также как ЭДС самоиндукции. За то время, пока мы открываем ключи K3 и К2, потенциал точки h1 может упасть значительно ниже нуля, также как и потенциал точки h2 может вырасти значительно выше потенциала шины питания. То есть наши ключи могут оказаться под угрозой пробоя высоким напряжением.
Как с этим бороться? Есть два пути.
Первый путь. Можно зашунтировать ключи диодами, как в нашем примере. Тогда при падении потенциала точки h1 ниже уровня общего провода откроется диод D3, через который с общего провода в точку h1 потечёт ток, и дальнейшее падение потенциала этой точки прекратиться. Аналогично, при росте потенциала точки h2 выше потенциала шины питания откроется диод D2, через который потечёт ток из точки h2 на шину питания, что опять же предотвратит дальнейший рост потенциала точки h2.
Второй путь основан на том факте, что при перекачивании зарядов из одной точки схемы в другую, изменение потенциалов между этими двумя точками будет зависеть от ёмкости схемы между этими точками. Чем больше ёмкость — тем больший заряд нужно переместить из одной точки в другую для получения одной и той же разности потенциалов (подробнее читайте в статье «Как работают конденсаторы»). Исходя из этого можно ограничить рост разности потенциалов между концами обмотки двигателя (а, соответственно, и рост разности потенциалов между точками h1, h2 и шинами питания и земли), зашунтировав эту обмотку конденсатором. Это, собственно, и есть второй путь.
На этом на сегодня всё, удачи!
Электронные трансформаторы приходят на смену громоздким трансформаторам со стальным сердечником. Сам по себе электронный трансформатор, в отличие от классического, представляет собой целое устройство - преобразователь напряжения.
Применяются такие преобразователи в освещении для питания галогенных ламп на 12 вольт. Если вы ремонтировали люстры с пультом управления , то, наверняка, встречались с ними.
Вот схема электронного трансформатора JINDEL (модель GET-03 ) с защитой от короткого замыкания.
Основными силовыми элементами схемы являются n-p-n транзисторы MJE13009 , которые включены по схеме полумост. Они работают в противофазе на частоте 30 - 35 кГц. Через них прокачивается вся мощность, подаваемая в нагрузку - галогенные лампы EL1...EL5. Диоды VD7 и VD8 необходимы для защиты транзисторов V1 и V2 от обратного напряжения. Симметричный динистор (он же диак) необходим для запуска схемы.
На транзисторе V3 (2N5551 ) и элементах VD6, C9, R9 - R11 реализована схема защиты от короткого замыкания на выходе (short circuit protection ).
Если в выходной цепи произойдёт короткое замыкание, то возросший ток, протекающий через резистор R8, приведёт к срабатыванию транзистора V3. Транзистор откроется и заблокирует работу динистора DB3, который запускает схему.
Резистор R11 и электролитический конденсатор С9 предотвращают ложное срабатывание защиты при включении ламп. В момент включения ламп нити холодные, поэтому преобразователь выдаёт в начале пуска значительный ток.
Для выпрямления сетевого напряжения 220V используется классическая мостовая схема из 1,5-амперных диодов 1N5399 .
В качестве понижающего трансформатора используется катушка индуктивности L2. Она занимает почти половину пространства на печатной плате преобразователя.
В силу своего внутреннего устройства, электронный трансформатор не рекомендуется включать без нагрузки. Поэтому, минимальная мощность подключаемой нагрузки составляет 35 - 40 ватт. На корпусе изделия обычно указывается диапазон рабочих мощностей. Например, на корпусе электронного трансформатора, что на первой фотографии указан диапазон выходной мощности: 35 - 120 ватт. Минимальная мощность нагрузки его составляет 35 ватт.
Галогенные лампы EL1...EL5 (нагрузку) лучше подключать к электронному трансформатору проводами не длиннее 3 метров. Так как через соединительные проводники протекает значительный ток, то длинные провода увеличивают общее сопротивление в цепи. Поэтому лампы, расположенные дальше будут светить тусклее, чем те, которые расположены ближе.
Также стоит учитывать и то, что сопротивление длинных проводов способствует их нагреву из-за прохождения значительного тока.
Стоит также отметить, что из-за своей простоты электронные трансформаторы являются источниками высокочастотных помех в сети. Обычно, на входе таких устройств ставится фильтр , который блокирует помехи. Как видим по схеме, в электронных трансформаторах для галогенных ламп нет таких фильтров. А вот в компьютерных блоках питания, которые собираются также по схеме полумоста и с более сложным задающим генератором, такой фильтр, как правило, монтируется.
На рынке электронных компонентов видна четкая ниша в виде отсутствия интегрированных , которые могли бы управлять нагрузкой, потребляющей значительный ток (порядка 2 А) при малом напряжении питания (порядка 3 В). Этот проект может стать решением этой проблемы. В качестве исполнительных элементов в Н-мосте использованы транзисторы IRF7307 производства International Rectifier.
В корпусе SO-8 размещены два транзистора типа MOSFET: один с каналом P, а другой с каналом N. Эти транзисторы очень хорошо подходят для применения в системах, работающих при низких напряжениях. Кроме того, малое сопротивление открытого канала обеспечивает малое падение напряжения: нагрузка, потребляющая ток 1 А создает падение напряжения не более 140 мВ при напряжении питания 4,5 В, то есть всего 3% от общего питающего напряжения.
Помимо этого IRF7307 в своем составе имеет демпферный диод, который предназначен для защиты транзистора от выбросов энергии при коммутации индуктивных нагрузок.
H-мост на полевых транзисторах IRF7307
На рисунке ниже приведена принципиальная схема низковольтного мощного H-моста. Для управления использованы логические элементы «И-НЕ» микросхемы CD4093, которые содержат в своей структуре триггер Шмитта. Максимальное напряжение на выходах логических элементов около 50 мВ (по данным Texas Instruments). Это значение достаточно, чтобы вызвать полное открытие или закрытие каналов MOSFET-транзисторов, независимо от входного управляющего напряжения.
В случае если логические элементы будут без триггера Шмитта, то есть риск, что одновременная подача управляющего напряжения выведет из строя транзисторы одной из ветви схемы, а так же испортит источник питания из-за короткого замыкания. Резисторы R1 и R2 формируют входное напряжение при отсутствии сигнала управления.
После сборки не требуются какие-либо настройки, устройство сразу готово к работе. Напряжение питания находится в диапазоне 3-12 вольт и строго ограничено максимальным напряжением MOSFET-транзисторов. В исходном состоянии, при отсутствии нагрузки схема потребляет ток меньше чем 1 мА.
Время переключения логических элементов относительно большое, поэтому желательно чтобы частота коммутации нагрузки не превышала нескольких сотен герц. При большей частоте есть вероятность, что оба канала транзисторов окажутся открытыми, что приведет к большому потреблению тока.