Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

На диаграммах 7 и 8 (см. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу микросхемы TL494) активный временной интервал воздействия на силовые транзисторы преобразователя представлен импульсами высокого уровня. Интервалы нулевого напряжения между ними это паузы. Примем условно, что на диаграммах 7 и 8 показаны последовательности импульсов, формируемые на выводах TL494/9 и TL494/10 соответственно. Действие импульсов высокого уровня на выводах ТL494/9,10 сдвинуто по времени. Паузы же, представленные нулевыми уровнями, перекрываются между собой. Если на одном выводе устанавливается высокий уровень, то на другом - обязательно низкий. Сигнал высокого уровня, пройдя через эмиттерный делитель, попадает в базовую цепь внешнего транзистора и открывает его.

Эмиттеры дополнительных транзисторов Q1 и Q2 соединены с общим проводом, поэтому импульс высокого уровня переводит их в состояние насыщения. Существует три рабочих фазы в переключении транзисторов Q1 и Q2. Причем состояние элементов, соответствующее начальным условиям работы схемы, в течение полного рабочего цикла повторяется дважды. Первая фаза начинается тогда, когда на базах обоих транзисторов действуют напряжения низкого уровня. В это время оба транзистора находятся в закрытом состоянии. Ток через них не протекает. Если параметры всех элементов транзисторных схем одинаковы, то потенциалы на коллекторах Q1 и Q2 также равны между собой. Следовательно, никакой разности потенциалов на выводах первичной обмотки W1 трансформатора Т не будет. Ток через нее не протекает, магнитного потока не создается, и на обеих вторичных обмотках W2 и W3 устанавливаются нулевые уровни напряжения. В дальнейших рассуждениях сделано предположение о том, что, говоря о напряжении на вторичной обмотке, имеется в виду вывод обмотки, подключенный к базе силового транзистора. Значение напряжения на выводе, соединенном с базовой цепью силового транзистора, указывается относительно второго вывода этой же обмотки. Вторая фаза работы усилительной схемы начинается с момента поступления на базу Q1 импульса высокого уровня. Фронтом импульса высокого уровня транзистор Q1 переводится в открытое состояние. Вывод первичной обмотки W1 трансформатора Т, соединенный с коллектором, через малое сопротивление этого открытого транзистора оказывается подключенным к общему проводу вторичной цепи питания. В течение всего времени действия импульса высокого уровня на базу транзистора Q1 второй усилительный транзистор, то есть Q2. остается в состоянии отсечки. Поэтому второй вывод первичной обмотки W1 трансформатора Т подключен к шине питания через сопротивление резистора R7. Выводы первичной обмотки трансформатора оказываются под разными потенциалами. Через эту обмотку протекает ток, который создает магнитный поток в сердечнике трансформатора Т. На вторичных обмотках наводится ЭДС, форма которой повторяет сигнал, поданный на первичную обмотку. Так как переключающем сигналом является импульс, то и на вторичных обмотках появляется импульс напряжения. В результате появления низкого уровня напряжения на коллекторе транзистора Q1, на базе Q3 возникнет положительный скачок, а на базе Q4 появится спад напряжения отрицательной полярности. Транзистор Q3 будет открываться, а на базу транзистора Q4 будет воздействовать отрицательный потенциал, повышающий его степень закрывания.

Транзисторы опять переходят  в одинаковое закрытое состояние, когда  действие импульса высокого уровня на базовую цепь Q1 заканчивается. Протекание тока через первичную обмотку W1 трансформатора Т прекращается. Напряжения на его вторичных обмотках спадают до нулевого уровня. Рабочие условия этого состояния полностью повторяют ситуацию, с которой начато рассмотрение функционирования данной схемы. Оно продолжается до прихода на базу транзистора Q2 фронта положительного импульса. В этот момент наступает третья фаза работы каскада.

На этой стадии открывается  транзистор Q2, а транзистор Q1 остается в состоянии отсечки. Вывод обмотки, соединенный с коллектором транзистора Q2, подключается к общему проводу питания каскада усилителя. Второй вывод первичной обмотки остается соединенным с общим проводом через резистор R8. В этом случае концы обмотки имеют инверсное подключение к питанию и общему проводу по сравнению с состоянием, в котором они находились во второй фазе работы импульсного усилителя. Путь протекания тока по цепи усилителя следующей: шина питания - резистор R8 -первичная обмотка трансформатора Т - транзистор Q2 - общий провод. Уровень управляющего сигнала, поступающего на базу Q2, изменяется скачкообразно. Протекающий ток оказывает воздействие на сердечник магнитопровода трансформатора Т, в результате на его вторичных обмотках появляются импульсные перепады напряжения. Изменение уровней происходит относительно состояния, когда на выводах обмоток присутствуют нулевые потенциалы. Полярность импульсов противоположна той, которая устанавливалась на втором этапе работы усилителя. На выводе обмотки W3, подключенном к базе транзистора Q4 появляется положительный фронт напряжения. На выводе обмотки W2, соединенном с базой транзистора Q3, напротив, перепад имеет вид спада нулевого уровня в область отрицательных значений напряжения. Транзистор Q4 открывается, а Q3 сохраняет свое закрытое состояние.

Переменное подключение  разных выводов первичной обмотки  трансформатора Т то к общему проводу, то к шине питания создает переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора. Магнитным током, возникающем  в результате коммутации обмоток трансформатора, наводится ЭДС в обмотках управления силовыми транзисторами преобразователя. Полная симметрия параметров элементов, установленных в каждом из транзисторных плеч усилителя, исключает возможность перемагничивания сердечника трансформатора. Источник формирования импульсов управления единый для усилительных трактов транзисторов Q1 и Q2, что также обеспечивает равномерность протекания токов в каждом из направлений за каждый полный цикл работы каскада.

Рассмотренная выше схема промежуточного усилителя имеет дополнительные транзисторы (по отношению к базовой схеме TL494), но существуют варианты исполнения такого каскада, где используются только внутренние элементы интегрального ШИМ преобразователя. Фрагмент схемы одного из вариантов представлен ниже.

Рис.12. Фрагмент схемы  промежуточного усилителя (Вариант  2)

На этой схеме подключение  согласующего трансформатора выполнено  непосредственно к транзисторам VT1 и VT2, входящим в состав микросхемы TL494. Выходные транзисторы включены по ключевой схеме. Эмиттеры обоих транзисторов соединены с общим проводом. Их коллекторы нагружены первичными обмотками трансформатора Т. Обмотки включены последовательно, точка соединения выведена на шину питания микросхемы TL494. Подключение трансформатора Т должно быть обязательно выполнено в соответствии с Фрагментом схемы промежуточного усилителя. Начала обмоток трансформатора на рисунке обозначены точками. Еще одна важная особенность использования трансформатора в схеме промежуточного усилителя заключается в том, что его обмотки подключаются между коллекторами выходных транзисторов и шиной питания без резисторов, ограничивающих ток через транзисторы. Индуктивное сопротивление первичных обмоток на частоте работы преобразователя должно быть достаточно высоким, чтобы чрезмерно большой ток коллектора не повредил структуру выходных транзисторов.

В двух предыдущих схемах промежуточных усилителей размах напряжения на коллекторах внешних транзисторов был меньше уровня напряжения питания  каскада. Это происходило из-за включения последовательно с первичной обмоткой трансформатора ограничивающих сопротивлений

Образовывался делитель, состоящей из сопротивления резистора  и индуктивного сопротивления первичной  обмотки. В Фрагменте схемы промежуточного усилителя . подобный эффект не наблюдается, и размах напряжения на коллекторах выходных транзисторов даже несколько превышает уровень питающего напряжения. Для зашиты транзисторов от перенапряжения, возникающего при работе на индуктивную нагрузку, между шиной питания и коллектором каждого транзистора установлено по диоду - D1 и D2. Аноды диодов подключены к коллекторам транзисторов, а катоды - к шине питания каскада. Большую часть рабочего цикла транзисторы находятся в закрытом состоянии, которое поддерживается низким уровнем напряжения на их базах, что видно из диаграмм 7 и 8 (см. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу микросхемы TL494). Импульсы управления положительной полярности подаются на каждый из транзисторов со смещением по времени. Когда на базу VT1 воздействует импульс высокого уровня, он открывается и переводится в насыщение. В течение всего времени действия этого импульса на базе VT1 второй транзистор выходного каскада - VT2 - остается в закрытом состоянии. Ток протекает только через открытый транзистор VT1 и первичную обмотку W1 трансформатора Т. Резкое изменение тока, протекающего через обмотку W1, вызывает возникновение магнитного потока, результатом действия которого будет возбуждение ЭДС в обеих вторичных обмотках. Обмотка W1 включена синфазно с вторичной обмоткой W4. На выводе обмотки W4, подключенной к базе силового транзистора Q2, появляется импульс ЭДС положительной полярности. Так как обмотка W3 включена противофазно обмотке W4, то на ней в этот момент импульс ЭДС будет иметь отрицательную полярность. Появление импульсных сигналов на вторичных обмотках трансформатора Т приходит на смену состоянию покоя, так как в течение действия нулевых уровней на базы транзисторов VT1 и VT2 напряжения на вторичных обмотках согласующего трансформатора Т равны нулю.

С окончанием действия положительного импульса на базе транзистора VT1 схема усилителя вновь попадает во временной интервал формирования сигнала паузы между управляющими импульсами. Напряжения на вторичных обмотках опять принимают нулевое значение. Оно сохраняется до прихода следующего управляющего импульса. Если на предыдущем этапе подача импульса на транзистор VT1 вызывала открывание транзистора Q2, то следующий импульс будет поступать на базу транзистора VT2, работа которого оказывает воздействие на второй транзистор полумостового усилителя мощности. По фронту импульса открывается транзистор VT2, и ток начинает протекать через первичную обмотку W2 трансформатора Т. Следствием процессов, которые вызывают ток этой обмотки, будет появление положительного импульса ЭДС на обмотке W3 и открывание транзистора. Соответственно, в это же время произойдет усиление степени закрывания транзистора Q2 в результате действия на обмотке W4 импульса отрицательной полярности.

Как и в предыдущем примере схемы усилительного каскада, идентичность параметров плеч усилителя гарантирует симметричность циклов перемагничивания сердечника согласующего трансформатора и исключение его насыщения. Небольшое изменение магнитных характеристик сердечника может наблюдаться при работе микросхемы TL494 в циклах устранения отклонений выходных напряжений от номинальных уровней. В этом случае импульсы, воздействующие на транзисторы VT1 и VT2 и определяющие время протекания токов через каждую из обмоток трансформатора, будут иметь несколько различную длительность. Если текущее небольшое перемагничивание сердечника вызвано компенсацией повышения выходного уровня вторичного напряжения, то впоследствии при устранении понижения выходного уровня напряжения будет происходить противоположное перемагничивание магнитопровода. То есть усредненный баланс намагниченности будет соблюдаться.

Принципы функционирования схемы промежуточного усилителя (вариант 2), близки или аналогичны логике работы промежуточного усилителя, входящего в состав схемы импульсного блока питания. В базовой схеме применяются внешние дополнительные транзисторы, а также установлен резистор, ограничивающей ток, проходящей через эти транзисторы. Еще одной особенностью схемой является то, что в течение паузы между импульсами управления через транзисторы Q3 и Q4 (см. Принципиальную схему импульсного блока питания) протекают токи и эти транзисторы находятся в состоянии насыщения. Управляющей импульс переводит один из транзисторов в закрытое состояние. Порядок намотки первичной и вторичных обмоток согласующего трансформатора на обеих схемах идентичен.

Ниже показан фрагмент схемы промежуточного усилителя, которая  используется достаточно редко, но как  один из вариантов построения подобного  блока имеет смысл детально рассмотреть  принцип ее работы.

Рис.13. Фрагмент схемы  промежуточного усилителя Вариант 3)

Схема выполнена на основе двух согласующих трансформаторов  Т1 и Т2, каждый из них используется для управления только одним силовым  транзистором преобразователя. Первичные  обмотки согласующих трансформаторов состоят из двух полуобмоток, точка соединения которых подключена к шине питания. Первичные полуобмотки W1 и WT трансформаторов Т1 и Т2 включены между коллекторами транзисторов и шиной питания без промежуточных токозадающих резисторов. Вторая половина каждой первичной обмотки имеет соединение с общим проводом через диод D2 и D1 соответственно. По постоянному току диоды включены с обратным смещением. Параметры намотки и магнитные свойства

трансформаторов схемы  идентичны. Для примера достаточно рассмотреть процессы, протекающее в усилителе, выполненном на VT1. Все описание будут справедливо для узла на VT2 с учетом временного сдвига процессов.

В моменты пауз между  импульсами управления на коллекторах VT1 и VT2 устанавливаются потенциалы, равные напряжению питания каскада. В течение пауз токи через обмотки W1 и W1 не протекают, транзисторы закрыты. Импульс управления высокого уровня открывает выходной транзистор VT1 микросхемы TL494, напряжение на нем спадает до уровня насыщения. Выводы обмотки W1 оказываются под разными потенциалами. В течение действия импульса по обмотке протекает ток, создающий магнитный поток в сердечнике трансформатора. Происходит накопление энергии в индуктивном элементе. Первичные полуобмотки каждого из трансформаторов имеют между собой гальваническую и магнитную связь. Благодаря наличию магнитной связи по окончании действия управляющего импульса на транзистор VT1 на выводе обмотки, подключенной к катоду диода D2, возникает импульс отрицательной полярности. Диод открывается. Через него начинает протекать ток, который замыкается через источник питания каскада, конденсаторы, установленные для фильтрации напряжения питания, и полуобмотку W2. В течение временного интервала протекания этого тока происходит возврат энергии, накопленной в трансформаторе. Токи, протекающие через обмотки W1 и W2, взаимно противоположны. Магнитные потоки также имеют встречную направленность. То есть намагничивание сердечника, которое происходит во время прохождения тока через W1, компенсируется магнитным потоком, возникающим под действием тока, протекающего через W2. Спадающий по мощности магнитный поток компенсации действует в промежутке между двумя импульсами открывания VT1.