Как сделать переключатель обмоток и налепить кучу ошибок!

Категорически всех приветствую! Давно не было обновлений, но тут внешние факторы замучали. Из хорошего - появился в личном пользовании карманный осциллограф-мультиметр-генератор Hantek 2D72, из плохого - лаборатория ППЧ попала во вражеское окружение, потом случились праздники, часть деталей переехала домой, а дома тоже никак не получается организовать работу, вот так и перебиваюсь.


И будучи подпираем со всех сторон обстоятельствами, я похоронил все проекты, требующие интеллектуального преодоления и взялся доделать довольно простой проект - давно задуманный лабораторный БП. Собираю я его по мотивам всем известного ПИДБП (гугл ит!) из "кубиков"-модулей, и по мере сил они компонуются в относительно продуманную конструкцию. Кубиков много, тут и трансформатор, и выпрямитель, и "мозг" на LM324 и ИОН, и измерительная часть...

Трансформатор для лабораторного БП достался мне со множеством выводов. Если не опускаться ниже величины 12 Вольт, требуемых для ИОН, я могу пользоваться обмотками на 13В и 27В. Большая часть современной аппаратуры цифровая, с напряжениями 3,3В и 5В, так что припаять выпрямитель к обмотке на 27В - немалый риск, на ключевом транзисторе (он у меня 2Т825Г) будет рассеиваться слишком много энергии, что приведет рано или поздно к беде. Вот условный пример. Например, у нас есть скажем нагрузка с напряжением 3В и током 2А. Допустим, лампа - для простоты. То есть 6 Ватт. На эмиттере транзистора 27×1.44=38.88В выпрямленных, значит транзистор должен погасить 35,88В которые помноженные на 2 Ампера тока нагрузки дадут 71,76 Ватта мощности для отопления квартиры. В реальности будет меньше, ибо напряжение на выходе выпрямителя неизбежно просядет, но тем не менее, лишних ватт так шестьдесят куда-то надо будет девать. У любого транзистора есть зона ОБР (область безопасных режимов) из которой нежелательно выходить и даже не приближаться к краю. Так что в том же эксперименте если взять обмотку на 13В то 13×1.44=18,72В и соответственно 15,72×2=31,44 лишних Ватта будут греть транзистор, что тоже немало, однако намного меньше 71,76 Вт, и значит в целом безопаснее.

Я не буду заморачиваться слишком сильно, как пример, запитывать ИОН от отдельного трансформатора, чтобы совсем опустить напряжение выпрямителя, и не буду городить гирлянды реле. Мне нужен всего один порог переключения, при увеличении выходного напряжения выше порога 10В выпрямитель нужно переключить с обмотки 13В на обмотку 27В. Это можно сделать всего лишь одним переключающим контактом и реле понадобится только одно. У меня не фабрика реле, хоть одно имеется - и на том спасибо!

Нагуглить по теме можно немало. В русскоязычном сегменте строителей блоков питания есть несколько "направлений". Симисторные переключатели - сразу в лес. Дорого, ненадежно и громоздко. Схема "Владимир 65" - в качестве датчика напряжения используется "энциклопедическая" микросхема TL431, которая через транзистор управляет 12-вольтовым реле. От этой схемы тоже пришлось откреститься, поскольку подходящего реле с контактами на нужный ток у меня нет, а делитель в цепи управления TL431 выполнен неочевидным способом, так что сходу пересчитать параметры не получится. То есть надо макетировать и крутить параметры паяльником, что не очень здорово.

Мне осталась одна забава, (пальцы в рот, да веселый свист!) - самому придумать эту простую переключалку, чтобы можно было использовать реле с катушкой на 24В. В качестве порогового элемента я остановился на консервативном варианте - компараторе LM393 (LM2903). Несмотря на то, что компаратор у меня запитан от внешнего ИОН с напряжением 12,15В, и опорное напряжение можно было сформировать делителем, я решил опору сделать на TL431, которая дает 2,5В as is, работая как тупой стабилитрон, но предсказуемо и точно, требуя меньшего минимального тока стабилизации.

И при внешней простоте конструкции я умудрился налепить немало ошибок. Надеюсь, что разбор моих ошибок поможет не совершать их тем, кто их еще не совершал.

Как известно, компаратор LM393 не может генерировать вытекающий ток. Если по-русски - выходной каскад компаратора представляет собой ключ, замыкающий выход (1 ножка) на минус. Следовательно, его надо подтягивать к плюсу питания резистором в любом случае. 

Но я путаю все время логику работы компаратора. В моем понимании, когда компаратор сработал это означает, что ключ открылся, то есть на выходе логический 0. А в понимании разработчиков, когда компаратор сработал, на выходе 1, то есть ключ закрыт. Википедия однозначно говорит, что я осел, но кто ее читает-то?

Компара́тор аналоговых сигналов (от лат. comparare «сравнивать») — сравнивающее устройство: электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая сигнал высокого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе («+») больше, чем на инвертирующем (инверсном) входе («−»), и сигнал низкого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инверсном входе.

А исходя из моих заблуждений, я сперва прицепил выход компаратора к плюсу через светодиод оптопары и готовился пить боржоми, почивая на лаврах. Да, исходя из постулата

"Граждане, опасайтесь случайных гальванических связей!"

мной в качестве исполнительного элемента сразу и без раздумий был выбран оптрон из самых популярных - PC817, а значит, главная задача - зажечь его светодиод тем или иным способом, остальное - дело техники.

Первый вариант. Не попал в фазу.

В таком виде схема заработала, но не так, как мне хотелось. Все было на месте, и порог я выставил 10,2 В без труда, и гистерезис на месте тоже, 9,2В напряжение отключения реле. Только вот все наоборот. Реле при напряжении ниже 10В включено, а выше 10В - выключено. Мне это не подошло. То есть, нормально замкнутый контакт реле требуется подключить к обмотке с напряжением 27В и конденсатор фильтра сразу заряжается до 38В. Не проще ли его сперва зарядить до 18 и до греха не доводить?
Поскольку модуль был уже спаян (и довольно компактно спаян!), вариантов переделки было не очень много. Самое простое - перекрестить ноги компаратора + и - мне не подошло, ибо неудобно и все считай заново перепаивать. Поэтому я переставил светодиод вниз.

Второй вариант. Убил гистерезис.

В этом варианте, компаратор, открывшись, гасит светодиод и реле отпускает. То есть условие выполняется. Но пропал гистерезис! Пришлось крутить фазу еще одним элементом - транзистором.

Третий вариант. И фаза и гистерезис в порядке.

Здесь, когда на выходе компаратора единица, транзистор открыт, светодиод зажжен, измеряемое напряжение приподнято через резистор R1 и гистерезис на месте.
Казус вышел и с выходным каскадом, там я попробовал включить реле прямо через оптрон, и несмотря на то, что транзистор оптрона держит 50В на коллекторе, и небольшой ток обмотки реле 30 мА, оптрон практически сразу вышибло. Так что я схватил первый попавшийся средней мощности транзистор и сделал выходной каскад с ним. Конечно же сюда пойдет всякий мусор типа КТ814Г, любой другой p-n-p транзистор с допустимым напряжением больше 30В и током коллектора от 100 мА и выше.
Дальше мне осталось добавить в схему источник питания для реле - выпрямитель - и собрать все в кучу.

Принципиальная схема.

Здесь PDF
За гистерезис отвечает резистор R6, его пришлось увеличить чтобы не уменьшать порог отключения реле слишком сильно. В качестве транзистора, управляющего оптроном, T1, я поставил "цифровой", со встроенными резисторами базы - очень удобно.
Конструкция собрана как обычно, на макетке. Так удобнее вносить изменения на ходу.

Лицевая сторона платы.

Задняя сторона платы.

Что же касается самой схемы, по ряду причин мне ее удобнее было рисовать в EasyEda. Когда я начал ее рисовать, в приложении не сразу нашлась кнопка FLIP, так что схему я начертил справа налево и не понял как перенумеровать элементы. Больше не буду :) Схема 100% рабочая, можете использовать ее всяко - как фотодатчик там, или индикатор затопления свинарника, ну или как у меня, чтобы переключать обмотки. Второй компаратор свободен, так что можно добавить второй уровень переключения аналогично первому, добавив второй выходной каскад и реле.