Импульсные блоки питания для IBM PC
Шрифт:
Дополнительный трансформатор Т1 – это малогабаритный трансформатор, рассчитанный на работу в первичной сети переменного тока с частотой 50 Гц. К его вторичной обмотке подключен двухполупериодный выпрямитель на диодах D5 – D8. Напряжение с выхода выпрямителя фильтруется конденсатором C4 и подается на среднюю точку согласующего трансформатора T3, вывод питания микросхемы ШИМ преобразователя TL494/12. Отрицательный полюс выпрямителя на диодах D5 – D8 соединен с общим проводом вторичной цепи. При включении питания сетевое напряжение выпрямляется и подается на силовой каскад, в конструкции которого не предусмотрено никаких элементов, обеспечивающих формирование импульса для начальной запитки ШИМ микросхемы. Структура базовых цепей усилителя мощности является типичной для каскадов, работа которых регулируется только внешними сигналами. То есть каскад функционирует исключительно в режиме внешнего возбуждения. Сигналы управления усилителем поступают через согласующий трансформатор T3 от ШИМ преобразователя. Начальное питание на ШИМ микросхему и весь каскад промежуточного усилителя поступает от выпрямителя на D5 – D8. Это напряжение появляется на элементах каскада ШИМ преобразователя также после подключения блока питания к сети. После запуска преобразователя на вторичной обмотке силового импульсного трансформатора T2 появляется переменное импульсное напряжение, которое выпрямляется диодами D9, D10 и фильтруется конденсатором C7. Параметры трансформатора T1 выбраны так, что напряжение на выходе выпрямителя на диодах D9 и D10 превышает потенциал, установившийся на выходе выпрямителя на диодах D5 – D8. Выходы выпрямителей на D5 – D8 и D9, D10 соединены между собой через диод D13. Анод D13 подключен к катодам диодов D9 и D10. Напряжение от выпрямителя вторичного канала +12 В подается в цепь питания микросхемы ШИМ преобразователя и промежуточного усилительного каскада. Так как напряжение на выходе выпрямителя вторичного канала +12 В выше положительного потенциала в точке соединения диодов D7 и D8, то диоды D5 – D8 получают обратное смещение и исключаются из работы в схеме. В дальнейшем электропитание поступает на все элементы ШИМ преобразователя от вторичной обмотки трансформатора T2. Трансформатор Т1 используется только для начальной подачи напряжения питания на узел ШИМ. Выйдя в рабочий режим, импульсный преобразователь блокирует работу трансформатора начального запуска. Этим достигается некоторое преимущество в увеличении общего КПД преобразователя. Данная схема может быть модифицирована в части подключения выпрямителя напряжения +12 В к цепи питания промежуточного усилителя. Если из схемы исключить диод D13, то напряжение на узел ШИМ будет поступать только от трансформатора T1. Общая логика работы схемы останется практически без изменений. В течение всего рабочего цикла преобразователя выпрямленное напряжение от D9, D10 будет поступать только на цепи фильтрации выходного напряжения +12 В. Никакого влияния на электропитание узла ШИМ силовой каскад оказывать не будет.
Силовые каскады с дополнительной вторичной обмоткой согласующего трансформатора обязательно содержат резисторы для подачи положительного смещения в базовые цепи усилительных транзисторов. Смещение может быть подано одним резистором, включенным между базой и коллектором транзистора, или с помощью делителя, как это сделано, например, на рис. 3.10. Нижний по схеме резистор делителя может подключаться непосредственно к базовому выводу транзистора или через резистор с типовым номиналом 2,2 Ом. Такая конструкция применяется только в схемах, где начальное питание на ШИМ преобразователь подается после генерации импульса каскадом импульсного усилителя мощности.
В базовых цепях силовых транзисторов по схеме, приведенной на рис. 3.2, установлены резисторы R27 и R29, которые подают положительное смещение на базы Q5 и Q6. Наличие этих резисторов позволяет запустить процесс, который приводит к генерации импульса начального питания ШИМ каскада. Электролитические конденсаторы C13 и C14 используют в качестве форсирующих при открывании и закрывании транзисторов Q5 и Q6. В установившемся режиме элементы базовых цепей выполняют функции, полностью аналогичные подробно рассмотренным в главе 2 применительно к идентичному узлу силового каскада.
Варианты схем базовых цепей для силовых транзисторов усилителей мощности каскадов, работающих только от сигналов внешнего возбуждения, представлены на рис. 3.12.
Каждый вариант схемотехнического исполнения базовых цепей предполагает наличие токозадающих резисторов, включенных между вторичными обмотками согласующего трансформатора и базовыми выводами силовых транзисторов. Позиционные обозначения элементов всех вариантов одинаковы. Резисторы рассчитаны на равную для всех максимальную мощность, которая составляет 0,25 Вт. Номиналы резисторов R1 и R2 могут иметь значения от 2,2 до 4,7 Ом. Естественно, что такой диапазон определяется наличием разных фирм-производителей источников. В конкретном изделии элементы каждой из базовой цепи должны быть полностью идентичны. Коммутация силовых транзисторов в этих схемах производится сигналами внешнего задающего генератора, питание на который поступает от отдельного маломощного источника. В этом случае нет необходимости формировать импульсы начального запуска схемы с помощью дополнительной обмотки в согласующем трансформаторе. В конструкции согласующего трансформатора применяются только сигнальные обмотки. Резисторы, подающие положительное смещение от первичного источника в базовые цепи силовых транзисторов, здесь также отсутствуют. Конфигурации первичных обмоток согласующего трансформатора определяются структурой транзисторных цепей выходного каскада промежуточного усилителя. Их возможные варианты были приведены на рис. 3.5, 3.7, 3.8.
На рис. 3.12б базовые цепи транзисторов содержат только резистивные элементы. Скорость открывания силовых транзисторов определяется лишь динамическими свойствами самих транзисторов. Здесь никаких специальных мер для ускорения процессов коммутации силовых элементов не предусмотрено. В схеме, приведенной на рис. 3.12а, параллельно резисторам R1 и R2 подключено по конденсатору. Конденсаторы могут быть как керамическими, так и электролитическими. Конденсаторы используются как элементы, ускоряющие открывание силовых транзисторов в момент появления фронта положительного импульса. В начальный момент времени пока конденсатор не перезарядился, через него протекает максимальный ток. Переход транзисторов в насыщение происходит с увеличенной скоростью по сравнению со схемами, выполненными без конденсатора. Фронт импульса, формируемого силовым транзистором, получается крутым. Динамические потери при включении транзистора снижаются, и улучшается тепловой режим его работы. По мере заряда конденсатора протекание тока через него снижается, основной же ток поступает в базу через резисторы, включенные между вторичной обмоткой согласующего трансформатора и базой транзистора. Когда на вторичной обмотке возникает спад открывающего импульса, то оказывается, что к базе транзистора приложены запирающие напряжения заряженного конденсатора и обмотки. Происходит быстрое закрывание транзистора, благодаря ускоренному рассасыванию избыточных положительных зарядов, накопленных в базе. На рис. 3.12в представлен еще один вариант ускорения коммутации силовых транзисторов. Вместо конденсаторов для этой цели применены ускоряющие диоды D1 и D2. Используемые диоды должны обладать хорошими скоростными характеристиками для работы с импульсными сигналами. Время восстановления их обратного сопротивления должно составлять несколько наносекунд. В течении действия открывающегося импульса на базе каждого из транзисторов диоды имеют обратное смещение, поэтому они не проводят ток и не оказывают эффективного влияния на процесс открывания транзисторов. Наличие диодов сказывается, когда на вторичных обмотках появляются спады положительных импульсов и транзисторы начинают закрываться. Резкий спад импульса приводит к быстрому открыванию диода, который в проводящем состоянии имеет сопротивление меньшее, чем резистор, параллельно которому он включен. Происходит резкое изменение направления течения тока. Скорость нарастания тока, вытекающего из базы, увеличивается очень быстро. Также быстро транзистор закрывается, избыточные носители в базе рассасываются лавинообразно. Переход транзистора в закрытое состояние протекает с большой скоростью, длительность фронта или спада получается минимальной. В этом случае так же, как и в предыдущем, благодаря введению дополнительных элементов, ускоряющих коммутацию силовых транзисторов, снижаются динамические потери во время переходных процессов при переключении транзисторов.
Общим для всех вариантов каскадов усилителей мощности импульсных преобразователей является способ включения силового трансформатора. Первичная обмотка трансформатора T4 по схеме, показанной на рис. 3.2, включена в диагональ моста силового каскада. Подключение произведено через раз делительный конденсатор C15, устраняющий возможность подмагничивания сердечника трансформатора T4 постоянным током. Параллельно первичной обмотке T4 подсоединена RC цепь на элементах C16 и R32. Снижая общую добротность резонансного контура, в состав которого входит первичная обмотка T4, эти элементы способствуют понижению уровня выбросов и паразитных колебаний, возникающих в моменты переключения силовых транзисторов Q5 и Q6.
Режим работы силовых транзисторов пропорционально зависит от величины нагрузки, подключенной к выходам вторичных цепей источника питания. По мере увеличения нагрузки возрастает импульсный ток, протекающий через транзисторы Q5 и Q6. Также возрастает время нахождения каждого из этих транзисторов в активном состоянии. Для наблюдения формы импульсного напряжения, формируемого транзисторным преобразователем, выберем точку соединения первичной обмотки трансформатора T4 и конденсатора C15. Если измерения производить с помощью осциллографа относительно эмиттера Q6, то форма напряжения в выбранной контрольной точке будет соответствовать диаграммам, представленным на рис. 2.13а – 2.13 в. Изменение вида диаграммы напряжения будет происходить по мере возрастания суммарной нагрузки по всем вторичным каналам напряжений. Повышение нагрузки будет сопровождаться увеличением импульсного тока через транзисторы Q5 и Q6, снижением длительности паузы между импульсами положительной и отрицательной полярностей, а также появлением отчетливых очертаний этих импульсов. При правильной работе схемы управления и усилителя мощности импульсы имеют одинаковую длительность. Полный размах импульсного сигнала равен величине выпрямленного сетевого напряжения, то есть ~310 В. Амплитуда импульсов составляет половину этого значения. Пауза между импульсами фиксируется также на уровне, соответствующем половине напряжения питания силового каскада.3.4.3. Вторичные цепи источника питания
Выпрямленное, отфильтрованное и стабилизированное напряжение подается в нагрузку с выхода вторичных цепей источника питания. В импульсных источниках для ПЭВМ класса XT/AT во вторичной цепи формируются четыре номинала постоянных напряжений и особый служебный сигнал «питание в норме». Оригинальное наименование этого сигнала – POWERGOOD или сокращенно PG. Значения вторичных напряжений и допустимые уровни их возможных отклонений от номиналов приведены в разделе 3.1. Вторичные каналы обладают различной токовой нагрузочной способностью. Самая большая нагрузка падает на вторичный канал напряжения +5 В. Максимально возможный ток по этому каналу зависит от общей габаритной мощности источника питания. Типовые градации мощности и соответствующее им распределение токовой нагрузки по вторичным каналам источника питания также отражены в разделе 3.1.
Силовой трансформатор T4 источника, выполненного по принципиальной схеме (см. рис. 3.2), имеет две вторичные обмотки. Каждая полная вторичная обмотка состоит из двух полуобмоток. Точка их соединения подключена к общему проводу вторичной цепи питания. Одна вторичная обмотка используется для получения напряжений +5 и -5 В, вторая является источником напряжения для каналов +12 и -12 В.
Вторичные обмотки силового трансформатора T4 нагружены на двухполупериодные диодные выпрямители. Импульсные источники питания компьютеров всех модификаций во вторичных цепях используют двухполупериодные выпрямительные схемы. Такое решение обеспечивает симметричное распределение нагрузки обоих транзисторов усилителя мощности. Работа транзисторов в идентичных режимах исключает развитие неконтролируемых процессов, возникающих вследствие разбаланса нагрузки с постепенным разрушением структуры сначала одного транзистора, а затем и другого. Каждый выпрямитель выполнен по однотипной схеме на основе пары диодов, соединенных с выводами вторичных обмоток. Диоды выпрямительных схем с положительными выходными напряжениями подключены к обмоткам своими анодами, а диоды выпрямительных схем для каналов с отрицательными уровнями напряжений – к выводам обмоток катодными выводами. Двухполупериодные схемы выпрямления на своем выходе формируют импульсные последовательности, в которых частота импульсов равна удвоенной частоте коммутации каждого из силовых транзисторов Q5 и Q6. Такой метод построения выпрямителя облегчает задачу фильтрации вторичных напряжений, а также способствует более равномерной подаче энергии в цепи нагрузки. Схема фильтрации импульсного напряжения каждого канала в данном варианте исполнения источника питания содержит только пассивные индуктивные и емкостные элементы. Обмотки дросселя L1 намотаны на общем магнитопроводе. Этим обеспечивается магнитная связь электромагнитных потоков, вызываемых токами, протекающими по каждой цепи вторичных напряжений. Обмотка дросселя L1 в цепи фильтрации напряжения +5 В является единственным индуктивным элементом в данном канале. В остальных цепях вторичных каналов напряжений включено по отдельному дополнительному дросселю. Канал +5 В также содержит наибольшее число электролитических конденсаторов, установленных на выходе этой цепи. Резисторы R39 – R41, подключенные по выходам каждого вторичного канала, обеспечивают возможность работы импульсного преобразователя без обязательного подключения внешней нагрузки. Резисторы создают контур разряда выходных фильтрующих конденсаторов, исключая возрастание выходных напряжений до амплитудных уровней импульсов, поступающих от выпрямительных элементов. Максимальное рабочее напряжение конденсаторов, установленных в фильтрах вторичных каналов, не превышает 25 В. Амплитуда импульсов может быть выше этого предельного уровня. В отсутствие резисторов может происходить заряд выходных конденсаторов до уровня, превышающего предельный, что в итоге приведет к их повреждению. Номиналы балансных резисторов, устанавливаемых параллельно выходным фильтрующим конденсаторам, выбираются так, чтобы обеспечивать нагрузочный ток по каналу на уровне ~50 мА.
Основные требования к технической реализации выпрямительных схем с точки зрения выбора элементной базы и принципов их функционирования подробно описаны в главе 2. Там же рассмотрен принцип групповой стабилизации выходных вторичных напряжений с помощью дросселей, выполненных на едином магнитопроводе. В данном разделе в основном будут рассмотрены реализованные на практике вторичные цепи импульсных источников питания.
В предельных режимах эксплуатации источника питания токовая нагрузка по каналу +5 В имеет значение в десятки ампер. На выпрямительных элементах в этом случае происходит выделение значительной тепловой мощности. Для повышения общего КПД источника и улучшения работы его теплового режима в импульсных преобразователях применяются матрицы на основе диодов Шоттки. Эти диоды обладают улучшенными импульсными рабочими характеристиками, что способствует снижению временного интервала нахождения обоих выпрямительных диодов в проводящем состоянии во время изменения полярности импульсного напряжения. Прямое падение напряжения на них не выше 0,6 В. Параллельно каждому из диодов в сборке SBD1 подключены демпфирующие RC цепочки, снижающие уровень паразитных колебаний, возникающих на фронтах импульсов. К выводам обмоток W4 и W5 трансформатора подключен пропорционально-интегрирующий фильтр на элементах R33 и C21. В схеме выпрямителей каналов +12 и -12 В применяются обычные диоды с улучшенными импульсными характеристиками. С помощью пропорционально интегрирующего фильтра R33, C21 происходит «затягивание» фронтов импульсов и создаются более благоприятные условия для переключения диодов как в сборке SBD2, так и диодов D21 и D22. В течение увеличенного фронта импульса происходит восстановление полного обратного сопротивления диодов.
К выходу стабилизированного напряжения +12 В подключен вентилятор блока питания, используемый для охлаждения металлических радиаторов, на которых установлены силовые транзисторы Q5, Q6 и диодные сборки выпрямителей SBD1 и SBD2. На общем радиаторе могут устанавливаться элементы с различными напряжениями на корпусе. Поэтому все компоненты крепятся на радиаторах через электроизолирующие теплопроводящие прокладки. Для улучшения теплового контакта с радиатором дополнительно применяется теплопроводящая паста, изготовленная на основе кремнийорганических соединений.
С точки соединения катодов диодов сборки SBD2, выхода выпрямителя канала +12 В, снимается импульсное напряжение и через диод D18 подается на емкостной фильтр на элементах C17, C18 и R31. Выход этого фильтра соединяется с выводом IC1/12 внутреннего питания микросхемы ШИМ преобразователя.
Представленное техническое решение (см. рис. 3.2) реализации вторичных цепей импульсных источников питания не является единственным. Разнообразие наблюдается в выполнении схем выпрямителей и в использовании дополнительных интегральных стабилизаторов для поддержания постоянного уровня напряжения в каналах с наименьшей токовой нагрузкой. Наиболее часто дополнительные стабилизаторы устанавливаются в канале -5 В.
На рис. 3.13 представлен первый вариант принципиальной схемы вторичной цепи импульсного источника питания. Схема имеет ряд особенностей по сравнению с рассмотренной выше. Вторичная цепь также содержит две вторичные обмотки W1 и W2 трансформатора Т. Средняя точка каждой из них соединена с общим проводом вторичной цепи. Обмотка W1 полностью используется только для формирования напряжения +5 В. Остальные вторичные напряжения получают после выпрямления и преобразования исходного импульсного напряжения обмотки W2. Причем фильтрация отрицательных напряжений производится общей цепью Г-образного индуктивно-емкостного фильтра на L1, L3, C7. Для обеспечения групповой стабилизации вторичных напряжений в схему фильтра введен дроссель L1, который содержит три обмотки, намотанные в одном направлении на общем магнитопроводе. Две обмотки дросселя L1 включены в цепи фильтрации напряжений +5 и +12 В, третья – в цепь сглаживающего фильтра отрицательных напряжений.
Рис. 3.13. Принципиальная схема вторичной цепи (вариант 1)
В канале фильтрации напряжения +5 В использовано два последовательно соединенных Г-образных фильтра. Первый включает в себя обмотку дросселя L1 и конденсатор C4, параллельно которому установлен балансный резистор R4. Второй фильтр образован дискретным дросселем L4 и группой электролитических конденсаторов C8, C9 и C10. Стабилизация напряжений вторичной цепи производится слежением за состоянием выходного уровня канала +5 В.
Схема выпрямителя и фильтра канала напряжения +12 В аналогична схеме, приведенной на рис. 3.2. Вентилятор подключается также к выходу стабилизированного напряжения этого канала. Последовательно с вентилятором включен токоограничивающий резистор R7. Типовое значение номинала этого резистора составляет 10 Ом при максимальной рассеиваемой мощности 0,5 Вт.
Наибольшее отличие от других схемотехнических решений наблюдается в построении каналов с отрицательными номиналами выходных напряжений. Общий фильтр для двух отрицательных напряжений также выполнен в виде двух Г-образных индуктивно-емкостных фильтров. К выходу стабилизированного напряжения -12 В через диод D5 подключен интегральный стабилизатор на микросхеме IC1 типа 7905. Схема интегрального стабилизатора для канала -12 В одновременно выполняет роль балансного резистора, обеспечивающего частичный разряд конденсатора C7. Выходное напряжение -5 В параметрического стабилизатора на IC1 дополнительно сглаживается конденсатором C11.
В главе 2 (см. рис. 2.17) был представлен фрагмент принципиальной схемы вторичной цепи источника, в котором средняя точка обмотки напряжения +12 В соединена с выходом канала +5 В. Такое решение используется и в схемотехнике источников для компьютеров класса XT/AT. Принципиальная схема подобной вторичной цепи источника питания (вариант 2) представлен на рис. 3.14.
Такой вариант включения обмотки позволяет применить в выпрямительной схеме канала +12 В диоды Шоттки. В этих диодах при работе с импульсными напряжениями ~50 В происходит возрастание обратных токов, что и диктует необходимость снижения импульсного напряжения на них. При включении выпрямителя согласно схеме, приведенной на рис. 3.14, снижается амплитуда импульсов, воздействующих на выпрямительную схему, до уровня, при котором диоды сборки работают достаточно эффективно.
Источниками вторичных импульсных напряжений в схеме (рис. 3.14) являются три обмотки W1, W2 и W3 трансформатора T. Обмотка W1 используется для получения только напряжения +5 В. С обмотки W2 снимается импульсное напряжение, из которого после фильтрации получают стабилизированное постоянное напряжение +12 В. Обе обмотки W1 и W2 нагружены на выпрямительные сборки, состоящие из диодов Шоттки. Цепи фильтрации импульсного входного напряжения во всех каналах построены на основе индуктивно-емкостных Г-образных фильтров. В канале напряжения +5 В единственным индуктивным элементом в фильтре является одна из обмоток дросселя L1. Все остальные каналы дополнены отдельными дросселями, включенными последовательно с обмотками дросселя групповой стабилизации L1.
Выводы комбинированной обмотки W3 присоединяются к катодам обычных импульсных выпрямительных диодов D1 – D4. Средняя точка обмотки W3 подключена к общему проводу вторичной цепи питания. Диоды D1 и D4 образуют двухполупериодный выпрямитель канала напряжения -12 В. Аналогичная выпрямительная схема для канала -5 В выполнена на диодах D2 и D3. Во вторичную цепь введен дроссель L1 групповой стабилизации вторичных напряжений по взаимным магнитным потокам. Несмотря на это, в каждом канале напряжений с отрицательными значениями включены интегральные стабилизаторы на IC1 и IC2. Между входом и выходом каждого интегрального стабилизатора подключаются демпфирующие диоды.
В схемах, где возбуждение микросхемы управления TL494 производится первичным импульсом, напряжение питания этой микросхемы и промежуточного усилителя снимается с выхода выпрямительной схемы канала +12 В. Каскады фильтрации данного напряжения аналогичны приведенным на рис. 3.13 и на этом рисунке не показаны. Амплитуда импульсов на выходе выпрямителя составляет ~60 В. Уровень отфильтрованного постоянного напряжения непосредственно на ШИМ преобразователе будет зависеть от длительности выпрямленного импульса и промежутка между импульсами «мертвой зоны». Диапазон изменения постоянного напряжения составляет примерно от +25 до +30 В.
3.4.4. Цепи защиты и цепи формирования служебных сигналов
Энергетические характеристики силовых элементов импульсного преобразователя были выбраны, исходя из предположения, что в установившемся режиме работы на предельной мощности они не превысят предельно допустимых норм для данного прибора. Наиболее критичными являются режимы работы силовых транзисторов. Полумостовые импульсные преобразователи характеризуются тем, что максимальное напряжение на силовых транзисторах этой схемы равно напряжению питания каскада. Броски напряжения, возникающие в моменты коммутации транзисторов, устраняются включением защитных диодов между коллектором и эмиттером каждого силового транзистора. Такими диодами на принципиальной схеме, приведенной на рис. 3.2, являются D6 и D7. Существующие нормы рекомендуют применять полупроводниковые приборы в цепях, предельные режимы эксплуатации которых имеют уровень 0,8 от максимального значения тока или напряжения. При выполнении этого требования, как правило, предприятия-изготовители элементной базы гарантируют надежную работу приборов.
Наиболее критичным для работы силовых элементов (транзисторов) в усилителе мощности оказывается неконтролируемое возрастание нагрузки по вторичным каналам напряжения, которое превышает установленный предельный уровень. Увеличение нагрузки приводит к росту тока, коммутируемого транзисторами полумостового усилителя мощности. Процесс неконтролируемого нарастания тока и превышения максимально допустимых значений может быть только следствием неисправности и возникновения экстренной ситуации в нагрузочной цепи. Иногда это может быть обусловлено неправильным использованием преобразователя в режимах, не предусмотренных техническими характеристиками. Для предотвращения повреждения элементов импульсного преобразователя в схему вводятся каскады, предназначенные для отключения формирователя ШИМ последовательностей. После остановки работы ШИМ регулятора прекращается подача управляющих импульсов в силовые цепи. Оба транзистора полумоста «замирают» в закрытом состоянии, их коммутация прекращается. Защита источника питания от перегрузки по вторичным цепям выполняется остановкой преобразователя. Прекращение коммутации силовых транзисторов вызывает понижение напряжения питания на ШИМ каскаде. Если не происходит выгорание сетевого предохранителя, то единственным каскадом, остающимся под напряжением питания, будет усилитель мощности. Все выходные цепи имеют гальваническую развязку от первичной сети, поэтому в отсутствие импульсных колебаний на входе усилителя мощности напряжения на них будут отсутствовать.
Существуют различные схемы построения каскадов защиты. Общим для всех схем является то, что их действие вызывает остановку функционирования маломощной схемы ШИМ регулятора при возникновении перегрузки в выходных цепях. Перегрузка источника питания по каждому каналу проявляется индивидуально. В соответствии с этим строится система блокировки работы ШИМ преобразователя. В системе защиты учитывается поведение схемы при увеличении нагрузки по сильноточным каналам, то есть +5 и +12 В. По мере возрастания нагрузки по этим каналам происходит заметное увеличение длительности импульсов управления усилителем мощности. Комплексная система защиты производит слежение за их длительностью. В качестве датчика контроля длительности управляющих импульсов в схеме, приведенной на рис. 3.2, используется узел, основу которого составляют трансформатор T3 и схема на диодах D9 и D10. Первичная обмотка W3 трансформатора T3 включена в первичную цепь. Через нее протекает такой же импульсный ток, как и через первичную обмотку силового трансформатора. Вторичные обмотки W1 и W2 этого трансформатора присоединены к анодам диодов D9 и D10, катоды которых подключены к общему проводу вторичной цепи питания. Этими диодами образован двухполупериодный выпрямитель. Вторичные обмотки соединены последовательно. С точки соединения обмоток снимается сигнальное импульсное напряжение отрицательной полярности, которое сглаживается на фильтре, образованном элементами R19 и C7. Через балансный резистор R12 происходит частичный разряд конденсатора C7 при текущей работе и полный разряд при отключении источника питания от сети. В процессе работы преобразователя, когда происходит нормальная коммутация силовых транзисторов, на отрицательной обкладке конденсатора C7 накапливается заряд, пропорциональный длительности импульсов. Напряжение с этой обкладки через резистор R14 подается на вывод IC1/15. Туда же через резистор R13 подводится напряжение вторичного канала источника питания +5 В. Согласно функциональной схеме, показанной на рис. 2.7, вывод IC1/15 является инвертирующим входом внутреннего усилителя ошибки DA4 ШИМ преобразователя. Выходы внутренних усилителей DA3 и DA4 микросхемы TL494 объединены по схеме монтажного ИЛИ через диоды развязки. Неинвертирующий вход внутреннего усилителя DA4 (вывод IC1/16) подсоединен к общему проводу. Внутренний усилитель DA4 включен в режиме компаратора напряжения. Компаратор производит сравнение потенциалов на своих входах. В зависимости от их соотношения выходное напряжение принимает значения низкого или высокого уровней, быстро минуя промежуточные стадии переключения. Пока напряжение на выводе IC1/15 положительное, выход усилителя DA4 имеет низкий уровень напряжения, которым устанавливается обратное смещение на диоде D2. В таком режиме этот усилитель не оказывает влияния на работу ШИМ компаратора DA2 и усилителя ошибки, выполненного на усилителе DA3. Когда напряжение на входе IC1/15 понижается до отрицательного уровня, происходит изменение состояния выхода DA4. На нем устанавливается положительное напряжение, практически равное по величине напряжению питания этого усилителя. Происходит открывание диода D2, и положительное напряжение поступает на неинвертирующий вход ШИМ компаратора DA2. Этим положительным напряжением запирается диод D1. Таким образом, отключается внутренний усилитель ошибки на DA3. На выходе внутреннего компаратора DA2 появляется устойчивый положительный потенциал, являющийся запрещающим для работы внутреннего логического элемента на DD1. Через элемент DD1 прекращается подача импульсов на цифровой тракт микросхемы IC1 и, следовательно, выработка импульсов на выходных контактах ШИМ преобразователя останавливается.
Делитель напряжения образован резисторами R13 и R14, подключенными к выводу IC1/15. Один вывод делителя соединен с источником положительного напряжения вторичного канала +5 В, а второй – с источником отрицательного напряжения, формируемого на конденсаторе C7. На конденсатор C7 подается выпрямленное и отфильтрованное напряжение, источником которого являются вторичные обмотки трансформатора T3. Уровень напряжения на отрицательной обкладке конденсатора C7 пропорционален длительности импульсов, формируемых ШИМ преобразователем. Время нахождения силовых транзисторов усилителя мощности в активном состоянии, а, следовательно, и длительность импульсов зависят от уровня нагрузки вторичной цепи. Повышение нагрузки вызывает увеличение интервалов, в течение которых транзисторы находятся в открытом состоянии. При снижении нагрузки этот интервал уменьшается. Косвенное слежение за уровнем нагрузки по вторичной цепи проводится с помощью контроля за напряжением на конденсаторе C7. Изменение напряжения на выводе IC1/15 является следствием вариации потенциала на конденсаторе C7. Повышение нагрузки вторичной цепи вызывает рост отрицательного напряжения на C7, которое через резистор R14 передается на IC1/15. Когда отрицательная составляющая напряжения в резисторном делителе на R13 и R14 начинает преобладать над положительной, потенциал на IC1/15 становится отрицательным. Это вызывает переключение внутреннего компаратора DA4 микросхемы ШИМ преобразователя и полную блокировку работы каскада управления. Таким образом, на базе трансформатора T3 собран узел защиты источника питания от перегрузки по основным каналам импульсного источника питания. Оценка уровня нагрузки проводится по ширине импульсов, коммутируемых силовыми транзисторами полумостового усилителя мощности.
Описанный узел может выполнять защитные функции только по основным каналам вторичных напряжений, где перегрузка вызывает заметное изменение интервалов импульсов. Вариации нагрузки, подключенной к относительно слаботочным каналам отрицательных напряжений, такого влияния на силовой каскад оказать не могут. Поэтому для слежения за состоянием уровней напряжения по этим каналам используется отдельный электронный узел, который выполнен на основе транзистора Q1.
Контроль осуществляется по отрицательным каналам напряжения и вторичной цепи +12 В. Вторичные каналы подключаются к эмиттерной цепи транзистора Q1. Выход канала +12 В соединяется с эмиттером Q1 через стабилитрон D1. Напряжение -5 В подводится через диод D2, выходное напряжение -12 В подключается к делителю, состоящему из резисторов R1 – R3. Транзисторный каскад защиты через диод D4 подсоединен к выводу IC1/4 – неинвертирующему входу внутреннего компаратора DA2 микросхемы ШИМ преобразователя. Действие механизма защиты направлено на увеличение потенциала этого входа в случае возникновения нештатной ситуации в нагрузочных цепях вторичных каналов. Если напряжение на неинвертирующем входе DA1 превысит уровень пилообразного напряжения, действующего на втором входе компаратора, то произойдет остановка формирователя ШИМ последовательностей на выходах IC1. Возрастание напряжения на IC1/4 допускается только во время действия дестабилизирующих факторов в нагрузочных цепях. Во время нормального рабочего цикла преобразователя напряжение на этом входе не должно увеличиваться и вносить изменения в работу источника питания. Уровень напряжения на IC1/4 определяется резистивным делителем из R6 и R16 за вычетом напряжения, равного падению напряжения на диоде D4, а также состоянием переходов коллектор-эмиттер транзисторов Q1 и Q2. Резистор R6 подключен к источнику опорного напряжения схемы IC1. Транзисторы Q1 и Q2 соединены коллекторными электродами по схеме монтажного ИЛИ. Постоянное положительное смещение в базовую цепь транзистора Q2 не подается. В течение рабочего цикла этот транзистор остается закрытым и на уровень смещения на входе IC1/4 влияния не оказывает. Регулировка потенциала производится схемой на Q1. Для обеспечения процесса формирования импульсных последовательностей микросхемой IC1 на коллекторе Q1 должно устанавливаться напряжение, близкое к потенциалу общего провода либо с отрицательным уровнем. Такой режим транзистора поддерживается, если в его эмиттерной цепи напряжение имеет отрицательный уровень. База транзистора Q1 подключена к общему проводу, поэтому управление проводится по эмиттерному электроду. Отрицательным напряжением на эмиттере транзистор Q1 переводится в проводящее состояние или насыщение. В этом случае напряжение на его коллекторе также имеет низкий уровень и шунтирует положительный потенциал, создаваемый резистивным делителем на R6 и R16. Отрицательное смещение на эмиттере Q1 устанавливается резистивным делителем. Резистор R2 в этом делителе подсоединен непосредственно к выходу канала -12 В. В точке соединения резистора R2 и катода диода D2 напряжение имеет значение -5,8 В. При выбранном соотношении номиналов резисторов R1 и R3 транзистор Q1 находится в режиме насыщения, и напряжение на его эмиттере обусловлено открытым переходом база-эмиттер и равно примерно -0,8 В. Следовательно, напряжение на коллекторе имеет уровень, близкий к потенциалу общего провода. Напряжение +12 В не оказывает влияния на формирование напряжения на эмиттерном электроде, так как стабилитрон D1 выбирается с напряжением стабилизации 14–16 В. Если во вторичной цепи происходит КЗ по одному из каналов с отрицательным номиналом, то напряжение на эмиттере будет повышаться и приблизится к уровню общего провода. Если КЗ произойдет в канале -5 В, то на катоде диода D2 напряжение составит -0,7… -0,8 В. При этом на эмиттере Q1 потенциал будет иметь уровень примерно -0,2… -0,4 В, что не достаточно для перевода транзистора в активный режим. Короткое замыкание напряжения-12 В вызовет блокировку диодом D2 подачи напряжения -5 В в эмиттерную цепь транзистора Q1, так как диод в этом случае будет находиться под воздействием потенциала, вызывающего обратное смещение p-n перехода. В обоих случаях замыкания транзистор Q1 будет закрываться, это вызовет рост напряжения на его коллекторе. Увеличение напряжения передастся на вывод IC1/4, к которому подключен резистор R16. Значение сопротивления R16 в несколько раз превышает номинал R6, поэтому основное падение напряжения будет именно на R16, то есть на выводе IC1/4. Если напряжение на этом выводе превысит уровень +3 В, то произойдет блокировка цифрового тракта микросхемы IC1 и генерация импульсов на выводах IC1/8,11 прекратится.
Вторичные обмотки силового импульсного трансформатора выполняются проводами с различным сечением. Сечение провода обмоток маломощных каналов меньше, чем сечение основных каналов. Внутреннее сопротивление источника напряжения, который образует вторичная обмотка, у маломощных каналов более высокое. Значительное увеличение потребления тока по этим каналам вызовет заметное падение напряжения на нагрузке, поэтому схема защиты может среагировать на резкое изменение выходного уровня до появления чистого КЗ и отключит блок питания.
Активное групповое слежение за состоянием вторичных напряжений в источнике питания производится сравнением выходного напряжения канала +5 В с уровнем опорного напряжения, формируемого внутренним узлом микросхемы IC1. Если во вторичных цепях возникает большой разбаланс нагрузки, то напряжение в канале +12 В может сильно отличаться от номинальной величины. В качестве защитной меры от повышения напряжения в этой цепи к эмиттеру Q1 подключен датчик напряжения канала +12 В на стабилитроне D1. Когда значение выходного напряжения в этом канале превышает напряжение стабилизации стабилитрона D1, происходит пробой последнего, и отрицательное напряжение на эмиттере Q1 начинает компенсироваться положительным потенциалом, поступающим через D1. Снижение отрицательного напряжения в этой точке приведет к запиранию транзистора Q1 и возрастанию положительного уровня на R16. Дальнейшее воздействие на IC1/4 остановит ШИМ преобразователь.
В начальный момент подачи электропитания на микросхему IC1 на всех вторичных каналах напряжения отсутствуют. Поэтому транзистор Q1 не может находиться в активном состоянии и принимать участие в запуске схемы преобразователя. В это время на IC1/14 появляется опорное напряжение, которое через делитель из R6 и R16 поступит на IC1/4 и блокирует работу микросхемы. Для обеспечения нормального запуска IC1 применяется ключевой каскад на Q2, который начинает работать сразу после появления напряжения питания на выводе IC1/12. В базовую цепь Q2 включены резисторы R4 и R5. Резистор R4 через конденсатор C5 соединен с цепью питания микросхемы IC1/12. Когда происходит формирование начального импульса питания ШИМ преобразователя, положительное напряжение через разряженный конденсатор C5 поступает на резистор R4 и через него попадает на базу транзистора Q2. Возникшим импульсом транзистор открывается, и напряжение на коллекторе Q2 резко понижается до нулевого уровня. По мере заряда конденсатора C5 на его отрицательной обкладке происходит экспоненциальный спад положительного напряжения. Снижение положительного напряжения вызывает постепенное закрывание транзистора Q2. Постоянная времени разряда конденсатора определяется номиналами элементов C5 и R4 и параллельного соединения открытого перехода база-эмиттер транзистора Q2 и резистора R5. Параметры пассивных элементов должны выбираться таким образом, чтобы закрывание транзистора происходило после появления отрицательных напряжений вторичных каналов на резисторе R2 и диоде D2. Если это условие соблюдается, то после закрывания транзистора Q2 напряжение на аноде D4 не примет положительного значения и сбоя в работе источника питания не произойдет.
Диод D4 выполняет функции развязывающего элемента, отделяющего элементы схемы «медленного» запуска от узла защиты и схемы на Q2. Присутствие этого диода является необходимым условием плавного запуска ШИМ преобразователя, так как его наличие исключает шунтирование положительного потенциала на отрицательной обкладке конденсатора C6 открытым транзистором Q2. После завершения процедуры «медленного» запуска, если нагрузочные цепи в порядке, управление напряжением на выводе IC1/4 сначала переходит к транзистору Q2, а затем к Q1.
Основное назначение схем защиты источника питания – исключение повреждений компонентов самого преобразователя при возникновении во вторичной цепи неконтролируемого увеличения нагрузки выше уровня, оговоренного условиями технической эксплуатации. Существует различный подход как к организации защиты, так и к применению электронных элементов. Как правило, в схемотехнике узлов защиты производится разделение каскадов, отвечающих за контроль работы основных вторичных каналов и маломощных цепей. Во внутренней структуре микросхемы TL494 введено несколько функциональных узлов, через которые можно оказывать воздействие на основной тракт формирования ШИМ последовательностей от принудительного ограничения длительности выходных импульсов до полной блокировки схемы. В зависимости от организации схемы защиты влияние на работу основной схемы может быть оказано через один или несколько таких узлов. Каждая схема преобразователя содержит элементы защиты, но выполнены они по-разному. На приведенных ниже схемах защиты показаны разные варианты практической реализации данного узла.
На рис. 3.15 представлен один из вариантов системы комплексной защиты импульсного преобразователя напряжения.Рис. 3.15. Схема комплексной защиты от перегрузки (вариант 1)
На рис. 3.15 приведены основные элементы узла защиты. Нумерация элементов относится только к компонентам этого рисунка. На схеме показаны первичная цепь каскада промежуточного усилителя с согласующим трансформатором T, упрощенная схема включения микросхемы TL494. Узел защиты представлен полнофункциональной схемой.
Узел защиты выполняет следующие основные функции:
• контроль длительности импульсов управления силовым каскадом;
• блокировка работы узла ШИМ преобразователя в случае возникновения КЗ в каналах с отрицательными номиналами напряжений.
Оценка временного интервала, занимаемого положительным импульсом, проводится схемой постоянно. Слежение осуществляется с помощью элементов, подключенных к средней точке первичной обмотки согласующего трансформатора T. На среднем выводе первичной обмотки действует сигнал, форма которого представлена на рис. 2.11. Резистор R14, диод D5 и конденсатор C3 образуют схему выпрямителя и пассивного RC фильтра импульсного сигнала. В итоге на конденсаторе C3 появится положительное напряжение. Уровень этого напряжения будет прямо пропорционален длительности импульсов управления, формируемых микросхемой ШИМ преобразователя типа TL494. Напряжение, выделенное на конденсаторе C3, через резистор R10 подается на неинвертирующий вход внутреннего усилителя DA4 микросхемы TL494. На второй вход этого усилителя через вывод TL494/15 непосредственно поступает напряжение опорного источника +5 В. Логика работы этого каскада в части контроля длительности импульсов очень похожа на функционирование аналогичного узла из схемы, приведенной на рис. 3.2. Процесс контроля длительности импульсов управления включает в себя несколько этапов рабочего цикла узла защиты. На внутреннем усилителе DA4 производится постоянное сравнение уровней напряжений, действующих на его входах. Усилитель не оказывает влияния на работу ШИМ преобразователя, пока напряжение на выводе TL494/16 не превышает опорного уровня, постоянно установленного на выводе TL494/15. Увеличение нагрузки вторичной цепи источника питания будет отражаться на уровне напряжения, выделяемого на конденсаторе C3. Ширина управляющих импульсов будет возрастать, что вызовет увеличение напряжения на C3. Напряжение с конденсатора постоянно поступает на вход усилителя DA4. Пока оно ниже уровня, установленного на инвертирующем входе DA4, выходное напряжение усилителя равно нулю. Увеличение длительности выше установленного порога вызывает включение механизма ее постепенного ограничения. Усилитель на DA4 не охвачен обратной связью, поэтому на его выходе значение напряжения очень быстро изменяется. Повышение уровня на выходе усилителя DA4 приведет к блокировке усилителя ошибки DA3. На неинвертирующем входе ШИМ компаратора DA2 положительное напряжение также будет повышаться. При этом будет происходить принудительное ограничение длительности импульсов, формируемых схемой ШИМ преобразователя. Механизм активной защиты элементов источника питания включается с момента повышения напряжения на TL494/16 до уровня +5 В, когда напряжение на выходе DA4 начинает принимать положительное значение. Сначала наступает этап принудительного ограничения длительности импульсов управления. Сигнал рассогласования от DA3 растет, и ШИМ преобразователь старается компенсировать падение напряжения во вторичной цепи увеличением длительности импульсов управления. Когда происходит блокировка усилителя ошибки уровнем от DA4, продолжительность импульсов принудительно ограничивается. Если причина неконтролируемого увеличения потребления во вторичной цепи не устранена, то при достижении сигналом от усилителя DA4 уровня +3,2 В, на выходе ШИМ компаратора появляется устойчивый высокий уровень. Импульсных сигналов нет. Генерация выходных импульсов ШИМ преобразователем останавливается. Источник питания прекращает подачу энергии во вторичные цепи.
Фрагмент принципиальной схемы этого узла защиты (см. рис. 3.15) демонстрирует реализацию узла, ограничивающего длительности импульсов управления преобразователем, по сигналу датчика, полностью установленного во вторичной цепи источника питания. В предыдущем случае датчик располагался в силовой части схемы, а обработка его сигнала полностью была отнесена во вторичную цепь.
В случае возникновения КЗ по любому из каналов с отрицательными значениями напряжений, сигнал оповещения узла управления вырабатывается с помощью транзисторной схемы на Q1 и Q2. В базовой цепи транзистора Q1 включен делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Питание делителя напряжения производится от разнополярных источников напряжения. Резистор R1 подключен к источнику опорного напряжения микросхемы TL494 с уровнем +5 В. Нижний по схеме вывод резистора R2 через резистор R3 соединен с цепью -12 В и через диод D1 с цепью -5 В. Номиналы сопротивлений резисторов R1 и R2 равны, поэтому напряжение на базе транзистора Q1 будет иметь небольшое отрицательное значение. Эмиттер этого транзистора соединен с общим проводом и, следовательно, переход база-эмиттер находится под напряжением обратного смещения. Транзистор закрыт, напряжение на коллекторе Q1 имеет высокий уровень. Поддерживание напряжения на базе, закрывающего транзистор Q1, возможно только в том случае, когда выдерживается расчетное соотношение напряжений -5 и -12 В. Если во вторичных цепях происходит КЗ, в результате которого одно из отрицательных напряжений изменяет свой уровень, то потенциал на базе транзистора Q1 начинает возрастать. В результате замыкания напряжения -12 В на диоде D1 появляется обратное смещение и блокируется подача напряжения -5 В на резистор R2. Базовый потенциал транзистора Q1 получит приращение положительного напряжения, подаваемого через R1. Аналогичная ситуация возникает при изменении напряжения -5 В до нулевого уровня. Диод D1 находится под воздействием отпирающего напряжения. Его анод подключается к общему проводу, а напряжение на катоде приобретает значение -0,7… -0,8 В. Это небольшое напряжение мало отличается от нулевого потенциала. На базе транзистора Q1 преобладающим оказывается положительный потенциал, которым транзистор открывается. Ключевая схема на транзисторе Q2 является нагрузкой транзисторного каскада на Q1. Коллектор транзистора Q2 через резистор R5 соединен с шиной питания ШИМ преобразователя, напряжение на которой в установившемся режиме находится в диапазоне +25. +30 В. Состояние ключа на Q2 является определяющим для функционирования микросхемы ШИМ преобразователя. В нормальном состоянии схемы защиты, когда в нагрузочной цепи уровни напряжений соответствуют номинальным, транзистор Q2 открыт и находится в насыщении. В этом состоянии происходит подключение резистора R5 через открытый транзистор Q2 к общему проводу. Диод D2 закрыт. Вывод 4 микросхемы TL494 через резистор R6 соединен с общим проводом. Внешние элементы не оказывают действия на работу ШИМ преобразователя. Когда происходит КЗ и последовательное переключение транзисторных ключей, напряжение на коллекторе закрытого транзистора определяется соотношением сопротивлений R6 и R5. Оно выбирается таким образом, чтобы уровень напряжения на выводе 4 схемы TL494 в момент срабатывания защиты составлял +5 В. Переключение транзисторов происходит достаточно быстро, поэтому напряжение на TL494/4 изменяется практически скачком. Резкое возрастание напряжение на неинвертирующем входе компаратора «мертвой зоны» блокирует логический элемент DD1. Работа схемы управления останавливается. Запуск ШИМ преобразователя возможен только после выключения и повторного подключения напряжения первичного питания, если предварительно устранена причина, вызывавшая КЗ или ненормированную перегрузку.
Работа схем защиты источника питания, представленных на рис. 3.2 и 3.15, характеризуется тем, что воздействие на ШИМ преобразователь при возникновении перегрузки по основным каналам и в случае КЗ слаботочных цепей производится по различным внутренним цепям схемы TL494. Узел защиты схемы, показанной на рис. 3.16, выполнен таким образом, что блокировка схемы управления производится по общему входу компаратора «мертвой зоны».