Rod Elliott, август 2019, перевод с английского
Введение
Следуя по пятам за проектом 192 (±12 В от одного источника 12 В), точно такая же топология может быть слегка модифицирована для получения фантомного питания +48 В. Изменений требуется немного (один резистор!), и если печатная плата будет выпущена (что зависит от спроса), она будет пригодна для любого применения. Как и в случае с оригинальным 24-вольтовым повышающим преобразователем, описанным в P192, доступный ток зависит от используемой индуктивности. Также, как и в P192, выход нуждается в хорошей фильтрации, чтобы исключить коммутационные помехи на фантомном питании.
Оборудование с фантомным питанием может потреблять максимум 12 мА, поскольку ток ограничен стандартными резисторами 6,8 к (часто указывается 6,81 к, чтобы обозначить более чем 1%-ный допуск). Их два, они включены параллельно, и минимальное напряжение для большинства схем с фантомным питанием составляет около 10 В. Необходимая индуктивность зависит от общего тока, который вы собираетесь потреблять от схемы. При выходном токе 100 мА вы сможете запитать до 10 микрофонов. Фактическое число может отличаться в зависимости от используемой схемы и потребляемого тока.
Описание проекта
Схема, показанная на рисунке 1, – это просто небольшая вариация схемы на рисунке 2, показанной в проекте 192. Тока достаточно для питания десяти микрофонов с фантомным питанием от источника постоянного тока 12 В. Чтобы получить 48 В, R1 должен быть равен 38 кОм. Однако это нестандартное значение, и использование фиксированного резистора и подстроечного резистора (VR1) позволяет регулировать напряжение. Это вполне оправдывает небольшие дополнительные затраты.
Выходное напряжение может быть практически любым, в пределах ограничений постоянного тока индуктора и максимального напряжения для переключателя ИС. При более высоких напряжениях ток индуктивности в конечном итоге является ограничивающим фактором, определяющим доступный ток. Если вам нужно более 60 В (при любом токе), вам нужно обратиться к схеме Project 192, рис. 1, которая включает необходимые изменения, необходимые для высокого выходного напряжения. D2 требуется, если устройство питается от внешнего источника постоянного тока 12 В, и защищает схему от обратной полярности.
Обратите внимание, что дополнительная фильтрация показана на рисунке 2, и она необходима на практике. Выходной сигнал довольно шумный, и ему нужна любая помощь, чтобы убрать шум или хотя бы снизить его до приемлемого уровня. Необходимы ферритовая бусина, последовательный резистор и конденсатор емкостью не менее 220 мкФ, и убедитесь, что схема фильтра компактна. Выводы конденсатора должны быть как можно короче, чтобы минимизировать индуктивность, а фильтр должен «течь» слева направо, примерно так, как показано ниже. Обратите внимание, что все конденсаторы фильтра со стороны выхода должны быть рассчитаны на 63 В, чтобы обеспечить достаточный запас прочности.
Фильтр – самая важная часть схемы, потому что последнее, что вам нужно, – это шум 52 кГц на фантомном питании. Этот фильтр легко изготовить на Veroboard, а резистор 10 Ом снизит напряжение всего на 1 В при полной нагрузке (100 мА). Рассеяние резистора составляет всего 100 мВт при полном выходном токе. Разброс напряжения вполне соответствует спецификациям для фантомного питания P48 (48 В ± 4 В). Стоит отметить, что фантомное питание выпускается в трех «официальных» версиях, а именно P12 (12 В, через резисторы 680 Ом), P24 (24 В через резисторы 1,2 к) и P48 (48 В через резисторы 6,81 к). P48 всегда является предпочтительным вариантом, поскольку любой микрофон, рассчитанный на фантомное питание, будет работать. Это не обязательно справедливо для более низких напряжений.
Расчет индуктивности
Все схемы с коммутационным режимом имеют одну важную деталь – дроссель. Его величина зависит от рабочей частоты и ожидаемого максимального тока, поэтому его необходимо рассчитать в соответствии с вашими требованиями. Размер определяется рабочим циклом (D), который задается коэффициентом усиления и выходным током. Vin составляет 12 В, Vout – 48 В, а расчетный ток – 100 мА.
Самый простой способ определить оптимальную индуктивность – воспользоваться графиками, приведенными в техническом описании LM2577. К сожалению, графики не так полезны, как хотелось бы, но для того, что нам нужно (100 мА при 48 В на выходе), индуктивность 100-150 мкГн будет максимально близка к идеалу. Есть некоторая свобода выбора, и единственное условие – чтобы он не насыщался при любом выходном напряжении или токе.
Установка дросселя немного больше (или меньше) указанного значения обычно не вызывает проблем, но при слишком большом значении ограничивается максимальный выходной ток. Можно использовать и меньшие значения, но это увеличит ток пульсаций индуктора. При небольшой нагрузке (т.е. при токе значительно ниже максимально допустимого) микросхема LM2577 будет работать с очень низким рабочим циклом, который может достигать 5 % (т.е. внутренний переключатель включен только на 5 % от общего времени цикла). При этом всегда существует некоторая нагрузка, а именно сеть обратной связи.
Полученные значения индуктивности можно назвать «резиновыми», так как существует значительная возможность их изменения. Используемая микросхема специально предназначена для повышающих блоков питания, и в данной схеме она работает именно так. Испытания показали, что она действительно работает очень хорошо. Около 150 мкГ работает хорошо, независимо от результатов расчетов или диаграмм, приведенных в даташите. Я пробовал несколько различных методов расчета величины индуктивности, и ни один из них не соответствует реальности. То же самое относится и к симуляции – она прекрасно справляется с 24-вольтовой версией, описанной в Project 192, но сильно отклоняется при более высоких напряжениях.
Обратите внимание, что входное напряжение должно быть не менее 3,5 В, иначе микросхема не будет работать. Это означает, что ее можно использовать с входным напряжением 5 В, но если вы ожидаете выходной ток 100 мА, то входной ток будет более 1 А. При использовании в соответствии с рекомендациями (т.е. с питанием 12 В) это не является ограничением. Даже если входное напряжение не регулируется, или, возможно, несколько выше, чем предлагаемые 12 В, регулировка очень хорошая. Я измерил изменение менее чем на 500 мВ, когда входное напряжение 48-вольтовой версии изменялось от 12 до 25 В (абсолютный максимум входного напряжения для ИС составляет 40 В). Максимально допустимое выходное напряжение составляет 60 В и ограничивается пиковым напряжением на клемме «переключатель» (вывод 4).
Прототип
При создании любой схемы с переключающим режимом нельзя полагаться на моделирование. Чтобы убедиться, что схема работает так, как задумано, был построен прототип, и хотя дроссель больше, чем нужно, вся печатная плата, собранная на Veroboard, имеет размеры всего 58 × 25 мм. Это лишь немного больше, чем один из китайских модулей, который в любом случае не может обеспечить 48 В. Индуктивность (номинально 330 мкГн, но верхняя часть отломилась, и я удалил довольно много витков) имеет значение где-то в районе 150 мкГн. Распиновка микросхемы легко адаптируется к макету Veroboard, и собрать ее в компактный макет не составило труда. Я убедился, что она может легко обеспечить 48 В при токе (близком к 100 мА). При работе от более низкого напряжения входной ток резко возрастает (как и ожидалось). Он прекрасно работал (и подстроечный резистор даже не требовал регулировки) при входном напряжении от 5 до 24 В.
Да, это точно такая же плата, как показано в проекте 192, с единственной разницей в сопротивлении обратной связи. Я пробовал использовать расчеты и диаграммы из даташита, но в итоге использовал «предварительно поврежденный» дроссель 330 мкГн с удаленной половиной витков, прежде чем смог получить 48 В при расчетном токе. Форма волны переключения отслеживалась с вывода «Switch» микросхемы, и до других точек интереса также довольно легко добраться. Для установки напряжения я использовал подстроечник 10k, потому что это дает большой диапазон при последовательном резисторе 33k. Это обеспечивает достаточный диапазон регулировки, даже с учетом того, что опорное напряжение ИС не соответствует действительности (оно не является точным и варьируется от одной ИС к другой – номинальное опорное напряжение составляет 1,25 В). Форма сигнала переключения показана ниже, питание от 12 В и выходной ток около 85 мА. Эта схема будет работать при любом напряжении от 12 В до примерно 60 В (максимально допустимое для LM2577).
Как видно из диаграммы направленности, пиковое напряжение составляет около 50 В, а после диода – 48 В. Рабочая частота составляет чуть более 52 кГц, что соответствует расчетной частоте для микросхемы LM2577, хотя она будет немного отличаться от одного устройства к другому. Есть некоторая информация о ее диапазоне, включая график зависимости частоты от температуры. Можно ожидать, что частота будет находиться в диапазоне от 48 кГц до 56 кГц.
Даже при выходном токе, близком к 100 мА, он работает хорошо, и ничего даже слегка не греется (кроме нагрузочных резисторов!). Ток холостого хода довольно скромный, мой блок питания показал чуть более 200 мА при выходном сопротивлении нагрузки 1к (около 48 мА). Это вполне приемлемо, и очевидно, что ток недостаточен для нагрева каких-либо деталей. Без нагрузки ток потребления составляет около 16 мА при 12 В (чуть менее 200 мВт) и 32 мА при 5 В (160 мВт), и если вам нужно питать только один или два микрофона, то его можно даже запитать от 9-вольтовой батарейки. Однако срок его службы будет довольно коротким – даже при 100% КПД он будет потреблять 55 мА от 9 В, а 9 В батареи обеспечивают полную емкость только при нагрузке менее 15 мА.
Во всех повышающих преобразователях входной ток напрямую зависит от выходного тока, умноженного на коэффициент усиления. Если входное напряжение повышается в четыре раза, то входной ток должен быть в четыре раза больше выходного, плюс рабочий ток микросхемы. При высокой нагрузке возникают дополнительные потери, которые необходимо компенсировать увеличением входного тока.
Выводы
Этот проект разработан специально для того, чтобы любители могли использовать внешний источник постоянного тока 12 В для создания фантомного питания 48 В, вместо того чтобы использовать настенный трансформатор переменного тока или возиться с сетевыми проводами. Целью разработки было обеспечить достаточный ток для 10 микрофонов с фантомным питанием. Поскольку почти все внешние источники постоянного тока являются импульсными, добавление дополнительных схем переключения вряд ли увеличит уровень слышимого шума, но было бы неразумно использовать его без достаточно обширной внешней фильтрации.
Это, конечно, не самый простой способ достижения конечного результата, но он довольно недорогой и представляет собой интересный способ для новичков освоить схемотехнику переключателей, не прибегая к использованию SMD-деталей. Имейте в виду, что UC3845A также доступен в SMD, поэтому будьте внимательны при заказе. Используемый дроссель – довольно распространенная величина, и они доступны в довольно широком диапазоне размеров. Компонент постоянного тока довольно низок, поэтому он не обязательно должен быть огромным (хотя использование дросселя (физически) большего размера, чем требуется, совсем не повредит).
Поскольку в источнике питания используется коммерческая повышающая микросхема, у вас есть возможность изучить поведение схемы, но при низком напряжении и без подключения к сети. Поскольку это довольно экономично, это простой способ получить источник питания P48, который можно запитать от обычного настенного блока питания 12 В постоянного тока или 5 В, если вам нужно запустить только один или два микрофона. Для тех, кто хочет разобраться в импульсных блоках питания, это бесценный инструмент обучения, поскольку вы можете подключить оптический прицел к любой части схемы без риска для жизни, конечностей или самого прибора.
Литература
Project 192 (ESP)
LM2577-ADJ SIMPLE SWITCHER® Datasheet
