Исследование основных свойств и характеристик высокоэффективных импульсных блоков питания

Во время рабочего открывания транзистора VT1 для формирования импульса положительной полярности, воздействующего на базу силового транзистора, подключаемого к вторичной обмотке W3, ток протекает через обмотку W1 трансформатора Т2. По мере закрывания транзистора VT1 импульс положительной полярности на обмотке W3 трансформатора Т2 прекращается. Время активной работы силового транзистора, подключенного к обмотке W3, заканчивается, и он закрывается. Трансформаторы Т1 и Т2 не оказывают влияния на работу друг друга. Импульсы, действующие на вторичной обмотке W3, имеют вид двухуровневого сигнала в отличие от схем с использованием единого трансформатора для управления силовыми транзисторами, рассмотренными выше. Каждый силовой транзистор открывается синхронно с транзистором, установленным в его канале управления. Все описанные выше процессы в микросхеме IC1 и промежуточном усилителе протекают в установившемся режиме, когда напряжения питания каскада управления имеют номинальное значение, однако в начальный момент запуска ШИМ преобразователя каскад управления выводится в рабочий режим с помощью специальной схемы, обычно называемой схемой «медленного» (или «плавного») запуска. Необходимость применения особых мер по «медленному» запуску схемы управления обусловлено рядом причин.

Наиболее существенный момент в этом смысле состоит в  том, что в момент подключения  источника питания к сети все  его емкости находятся в разряженном  состоянии. Начальный бросок тока по цепи первичного питания, возникающей  при заряде конденсаторов сетевого фильтра, нейтрализуется терморезистором. Конденсаторы во вторичной цепи источника также разряжены и в начальный момент представляют собой КЗ, то есть большую нагрузку. Силовые транзисторы после включения питания работают в форсированном режиме до тех пор, пока не произойдет заряд конденсаторов. По мере заряда токовая нагрузка на транзисторы снижается. Схема «медленного» запуска предназначена для постепенного выведения силового каскада в штатный режим работы. Период включения искусственно затягивается для обеспечения безопасного функционирования силовых элементов импульсного преобразователя. В процессе «медленного» запуска на начальном этапе работы преобразователя напряжения происходит принудительное ограничение длительности импульсов управления, воздействующих на силовые транзисторы.

Рассматривая схему  импульсного блока питания, отметим, что после подключения источника  к первичному питанию происходит формирование напряжения питания всего  каскада ШИМ преобразователя, включая  промежуточный усилитель на транзисторах Q3 и 04. Напряжение питания подается по цепи, подключенной к выводу IC1/12 микросхемы TL494. Появление напряжения в этой точке инициирует работу внутренних каскадов микросхемы IC1.

Запускается генератор  пилообразного напряжения, внутренним стабилизатором на выводе IC1 /14 формируется опорное напряжение питания +5 В. Между выводами IC1 /12 и IC1 /14 включен конденсатор С6. В начальный момент после включения схемы конденсатор не заряжен и представляет собой малое сопротивление. При появлении напряжения на IC1/14 обе обкладки конденсатора С6 оказываются под одинаковым положительным потенциалом.

Дальнейшее развитие процесса включения микросхемы удобно проследить с помошью диаграмм напряжения, приведенных ниже. Диаграммы показывают состояние внутренних элементов микросхемы IC1.

Рис.14. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие процесс «медленного» запуска

На диаграмме 1 приведена  форма напряжений, действующих на входах внутреннего компаратора DA2 микросхемы IC1. Пилообразное напряжение действует на его инвертирующем входе.

Линейно возрастающее напряжение подается на неинвертируюш^й вход компаратора  от внутреннего усилителя ошибки на DAS. Сначала напряжения всех вторичных цепей равны нулю. Поэтому на входе IC1/1 установлено также нулевое напряжение. После появления питания на IC1 резисторным делителем из R9 и R10 на вход 1С 1 /2 подается положительный > потенциал. Соотношение потенциалов на входах IC1/1 и IC1/2 таково, что напряжение на выходе внутреннего компаратора DAS равно нулю. По мере передачи энергии во вторичную цепь происходит постепенный заряд конденсаторов в выходной цепи канала +5 В. Повышение уровня напряжения на выходе DA3 является следствием нарастания положительного потенциала на входе IC1/1. Внутренним компаратором DA2 производится сравнение входных напряжений. Результирующей выходной импульсный сигнал представлен на диаграмме 2. Рост; линейного напряжения на его неинвертирующем входе сопровождается увеличением длительности положительных импульсов на выходе компаратора, с которого они поступают на первый вход внутреннего логического элемента DD1.

Появление положительного потенциала на выводе IC1/4 и его постепенный спад показаны на диаграмме 3. Вход IC1/4 является неинвертирующем входом внутреннего компаратора «мертвой» зоны DA1. На его инвертирующей вход подается пилообразное напряжение. Форма результирующего сигнала, появляющегося на выходе DA1, отражена на диаграмме 4. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента типа ИЛИ. Если в это время хотя бы один из входных сигналов также будет иметь высокий потенциал, напряжение на его выходе примет высокий логический уровень. Форма сигнала на выходе логического элемента DD1 показана на диаграмме 5. Видно, что от появления питающего напряжения питания на IC1 до момента Т длительность положительных импульсов на выходе DD1 определяется работой ШИМ компаратора DA2. Начиная с момента Т, после значительного спада напряжения на входе IC1/4 на выход DD1 поступают положительные импульсы, формируемые компаратором мертвой зоны DA1. При этом все временные параметры импульсной последовательности, действующей на входе цифрового тракта микросхемы IC1, задаются рабочими характеристиками внутреннего усилителя ошибки DA3 и внутреннего компаратора DA2. Диаграммы 6 и 7 демонстрируют форму импульсов на входах внутреннего триггера DD2. Последние две диаграммы показывают вид импульсных последовательностей, действующих на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 промежуточного усилителя. Длительность положительных импульсов управления увеличивается постепенно, что видно из диаграмм 8 и 9. Происходит плавное наращивание мощности сигнала управления и плавное нарастание напряжении вторичных цепей. Передача управления от компаратора «мертвой зоны» DA1 тракту усилителя ошибки осуществляется тогда, когда конденсаторы вторичных цепей уже заряжены и требуется передача энергии для поддержания уровня этого заряда.

Импульсный  усилитель мощности

Источник питания, принципиальная схема которого изображена ниже, относится  к классу преобразователей напряжения с внешним возбуждением. Генерация сигналов управления работой импульсного усилителя мощности выполняется узлом ШИМ преобразователя. Сигналы управления имеют малый уровень и мощность. Усиление этих сигналов по току и напряжению производится силовым каскадом, построенным на транзисторах Q5 и Q6. Импульсный усилитель мощности выполнен по полумостовой схеме. Нагрузкой силового каскада является импульсный трансформатор Т4, включенный в диагональ моста. Для зашиты силового трансформатора от насыщения постоянной составляющей протекающего тока его включение произведено последовательно с керамическим конденсатором С15.

Рис.15. Принципиальная схема импульсного блока питания

Схема усилительного  каскада в данном случае выполняет  не только высокочастотное преобразование энергии источника постоянного напряжения, но она наделена еще и дополнительными функциями. Последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включена обмотка другого трансформатора - ТЗ. Она подключена в разрыв соединения первичной обмотки Т4 и точки соединения электролитических конденсаторов С10 и С11. Трансформатор входит в состав узла контроля перегрузки по току основных вторичных каналов блока питания. Первичная обмотка W3 трансформатора ТЗ используется в качестве основного элемента датчика токовой нагрузки вторичных каналов. На основе элементов силового каскада построен узел начального запуска каскада ШИМ преобразователя или, точнее, подачи начального питания на этот каскад. Если на микросхеме TL494, являющейся базовым элементом схемы управления, не установлена блокировка, она запускается автоматически при нарастании напряжения питания на ее выводе IC1/12 до уровня +7 В. Под запуском понимается начало формирования импульсных последовательностей на выводах ICI/8.11.

Напряжение питания  на вывод IC1/12 микросхемы поступает через последовательно соединенные диод D18 и резистор R31. Анод диода соединен с выходом выпрямителя на диодной сборке SBD2. Фильтрация напряжения питания микросхемы выполняется конденсаторами С17 и С18. Эта цепь питания единственная. Только по этой цепи напряжение питания подается на микросхему IC1 и каскад промежуточного усилителя с момента запуска преобразователя и в течение всего цикла работы. Для формирования начального импульса напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора специально модифицированы базовые цепи силовых транзисторов. В классической схеме полумостового усилителя в базовые цепи транзисторов включено по одной вторичной обмотке согласующего трансформатора. Сигналы для открывания транзисторов поступают через эти обмотки. На принципиальной схеме импульсного блока питания показано, что вторичная обмотка трансформатора Т2, подключенная к цепям транзистора Q5. состоит из двух полуобмоток - W3 и W4. К элементам, составляющем базовую цепь транзистора Q8. подсоединена обмотка WS. Обмотки W3 и W4 намотаны синфазной противоположно намотке WS. Еще одним отличием схемы, приведенной на Принципиальной схеме импульсного блока питания, от классического варианта является наличие резисторов R7 и R9, установленных между коллекторами и базами транзисторов Q5 и Q6 соответственно. Резисторы служат для подачи смещения на базы силовых транзисторов и являются необходимыми элементами в цепи формирования напряжения начального запуска ШИМ преобразователя.

В начальный момент времени  после подачи электропитания на блок питания напряжение поступает только на элементы силового каскада. На всех вторичных обмотках трансформатора Т4 напряжение отсутствует. Конденсаторы С10 и С11 образуют емкостной делитель. Напряжение в точке их соединения равно половине напряжения питания силового каскада. Благодаря наличию резисторов R27 и R29, на базах транзисторов Q5 и Q6 постепенно нарастают напряжения начальных смещений. Оба транзистора начинают открываться, это вызывает протекание увеличивающихся токов через вторичную обмотку W4 согласующего трансформатора Т2. Токи имеют встречную направленность. Причиной появления первого из токов является открывание Q5, этот ток протекает по цепи: положительная обкладка конденсатора С15 -коллектор-эмиттер Q5 - обмотка W4 трансформатора Т2 - конденсатор С15 - первичная обмотка Т4 - первичная обмотка ТЗ - отрицательная обкладка конденсатора СП. В контур протекания тока, вызванного открыванием транзистора Q6, входят следующие элементы: положительная обкладка конденсатора СП - первичные обмотки трансформаторов ТЗ и Т4 - конденсатор С15 - обмотка W4 трансформатора Т2 - коллектор-эмиттер Q6. В каждом контуре протекания токов присутствуют одноименные элементы. Но токи двигаются по ним в противоположных направлениях. Силовые транзисторы имеют технологические разбросы параметров, поэтому токи не могут полностью компенсировать друг друга, один из них обязательно будет преобладающим. В общем случае таким током может быть любой из двух. Но для определенности описания предположим, что большую величину имеет ток, протекающий через транзистор Q6, поэтому потенциал на нижнем по схеме выводе обмотки W4 трансформатора Т2 будет немного выше, чем на ее верхнем выводе. Преобладающий ток протекает от нижнего вывода к верхнему. Вторичные обмотки трансформатора Т2 имеют между собой магнитную связь. Током, протекающем через обмотку W4 трансформатора Т2, наводится ЭДС в обмотках W3 и W5. Обмотки W3 и W5 подключены в схему таким образом, что напряжения ЭДС, приложенные к элементам базовых цепей силовых транзисторов в них, будут иметь противоположные знаки. На выводе обмотки W5, подключенном к аноду диода D15, напряжение будет положительным. На аналогичном выводе диода D14 приложенная в это же время ЭДС будет отрицательной. ЭДС обмоток W4 и WS с учетом знака напряжения будут складываться с потенциалами начального смещения транзисторов Q5 и Q6, образующихся благодаря резисторам R27 и R29. Отрицательное напряжение обмотки W3, складываясь с базовым потенциалом транзистора Q5. будет уменьшать положительное напряжение, что приведет к закрыванию этого транзистора. Возрастающее же положительное напряжение на обмотке WS будет только увеличивать уровень начального смещения на базе Q8. Этот процесс развивается очень быстро и, в итоге, вызывает полное открывание транзистора Q8. В нашем случае происходит быстрое открывание Q8 и запирание Q5. При полном открывании транзистора Q8 ток, протекающей через первичную обмотку Т4, резко возрастает, создавая нарастающей магнитный поток в его сердечнике. На вторичных обмотках Т4 наводятся ЭДС, знаки которых определяются в соответствии с подключением обмоток. Все выпрямительные схемы вторичных цепей являются двухполупериодными, поэтому на выходах каждой из них обязательно появятся импульсы напряжений. Полярность выходных напряжений определяется схемой подключения выпрямительных диодов к вторичным обмоткам трансформатора Т4. Вывод IC1 /12 микросхемы ШИМ преобразователя через резистор R31 и диод D18 подключается к выходу выпрямителя канала +12 В. Катоды сборки SBD2 соединены, на них возникает импульс положительной полярности, который сглаживается RC фильтром и в виде плавно нарастающего уровня напряжения попадает на IC1/12. Уровень напряжения и первичная мощность импульса достаточны для того, чтобы произвести запуск микросхемы IC1 и поддержать работу транзисторов промежуточного усилителя на согласующий трансформатор. Транзисторы промежуточного усилителя переключаются под воздействием импульсов управления, поступающих от ICl/8.11. Параметры обмоток согласующего трансформатора Т2 выбраны таким образом, чтобы при минимальном уровне напряжения на усилительном каскаде напряжения на обмотках W5.W3 оказались бы достаточными для поочередного открывания силовых транзисторов. Как только начинается периодическая коммутация транзисторов Q5 и Q8. напряжения на вторичных обмотках Т4 достигают номинальных значений и устойчиво поддерживаются. Уровень напряжения на IC1 /12 также стабилизируется. Далее система переходит в режим автоподстройки выходных уровней вторичных напряжений по сигналу датчика значения напряжения канала +5В, выполненного на резисторе R13. Активная роль обмотки W4 трансформатора Т2 заканчивается в период стабилизации колебаний в силовом каскаде. В рабочем цикле через нее протекает ток того же направления и величины, что и через первичную обмотку силового трансформатора Т4.

Силовые каскады блоков питания для персональных компьютеров  строятся по схеме полумостового  преобразователя. В классическую схему  полумостового преобразователя  могут вводиться различные дополнения, обусловленные стремлением разработчиков совместить выполнение различных функций в одной группе элементов. В данном случае первостепенное значение имеет обеспечение начального запуска микросхемы ШИМ управления. В варианте построения силового каскада, осуществляющего начальный запуск, предлагаются модификации базовых цепей транзисторов импульсного усилителя мощности. Ниже представлен фрагмент схемы силового каскада, демонстрирующий способ подачи смещения на базы транзисторов от отдельного диодного выпрямителя.

Рис.16. Фрагмент схемы  подачи смешения на базы силовых транзисторов

Позиционные обозначения  элементов на схеме индивидуальны  и действительны только для компонентов, приведенных на Фрагменте схемы  подачи смещения на базы силовых транзисторов. Схема не содержит полного типового набора компонентов, входящих в состав импульсных усилителей мощности. Представленные элементы предназначены для демонстрации особенностей подобного каскада.

Электропитание силового каскада блока питания производится от выпрямленного напряжения первичной  сети. Сетевой выпрямитель для усилителя мощности собран на диодах Dl - D4. Выпрямленное напряжение подается только на соединенные последовательно транзисторы Q1 и Q2 и электролитические конденсаторы фильтра С2 и СЗ. Смещение на базы транзисторов подается с помощью резистивных делителей. На базу транзистора Q1 напряжение поступает от делителя напряжения, образованного резисторами R3 и R4. Аналогичная цепь для транзистора Q2 сформирована элементами R5 и R6. Резисторы R1 и R7, R2 и R8, установленные в базовых цепях транзисторов, ограничивают ток через переходы база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Для обеспечения подачи питания на делители смещения в схему введен отдельный однополупериодный выпрямитель, включающий в себя диод D5 и конденсатор С1. Резисторы, использованные в делителях, имеют большое сопротивление, ток разряда конденсатора составляет единицы миллиампер, поэтому его номинал может иметь относительно небольшое значение. Например, конденсатор С1 керамический, емкостью 2200 пФ. Согласующей трансформатор Т2 содержит три вторичные обмотки, две из них подключены к базовым цепям силовых транзисторов Q1 и Q2. Третья используется для формирования импульса для питания схемы ШИМ преобразователя на начальной стадии подключения схемы к первичной сети. Эта обмотка включена между эмиттером транзистора Q1 и первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т1. На схеме показана только одна вторичная обмотка трансформатора Т1, хотя их может быть и несколько. Средняя точка вторичной обмотки соединена с общим проводом вторичной цепи. К этой единственной обмотке подключены два диода D6 и D7, образующее двухполупериодный выпрямитель. Выход выпрямителя нагружен на фильтр вторичного канала +12В, не показанный на Фрагменте схемы подачи смещения на базы силовых транзисторов и сглаживающей фильтр цепи питания микросхемы ШИМ преобразователя и промежуточного усилителя. Нагрузкой промежуточного усилителя является первичная обмотка трансформатора Т2, к средней точке которого также подводится напряжение от цепи питания ШИМ микросхемы. Такая компоновка и назначение элементов в базовых цепях транзисторов Q1 и Q2 практически повторяют структуру такого же узла схемы импульсного блока питания. Главное отличие схемы, показанной на Фрагменте схемы подачи смещения на базы силовых транзисторов, от других заключается в способе подачи постоянного напряжения на резистивные делители напряжения, подключенные к базовым цепям силовых транзисторов. Принципы же получения импульса напряжения для начального питания узла ШИМ полностью идентичны. Номиналы конденсаторов, представленных на схеме, приведенной на Фрагменте схемы подачи смещения на базы силовых транзисторов, имеют одинаковые значения с элементами установленными в аналогичных позициях базовой схемы. Максимальное рабочее напряжение конденсаторов С2 и СЗ не превышает 200В, номиналы резисторов имеют следующие значения: R1 и R2 = 2,2Ом, R3 и R5 = 150 кОм, R4 и R6 = 2,7 кОм, R7 и R8 = 39 Ом, R9 = 22Om, R10 = 1,5kOm.