Помоги проекту - поделись книгой:
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 на практике приведет к их повреждению. Эти вопросы мы подробно разберем во второй главе книги.
Номиналы балансных резисторов, устанавливаемых параллельно выходным фильтрующим конденсаторам, выбираются так, чтобы обеспечивать нагрузочный ток по каналу на уровне 50 мА.
1.1.4. Выпрямитель и фильтр напряжения
Вернемся к схеме, приведенной на рис. 1.3. Вентилятор подключается к выходу источника стабилизированного напряжения. 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 С7. Выходное напряжение -5 В параметрического стабилизатора на IC1 дополнительно сглаживается конденсатором СИ.
В схемах, где средняя точка обмотки напряжения +12 В соединена с выходом канала +5 В (такое решение довольно популярно и используется и в схемотехнике многих ИИП), есть некоторые особенности.
Такой вариант включения обмотки (см. рис. 1.4) 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. 2.4, снижается амплитуда импульсов, воздействующих на выпрямительную схему, до уровня, при котором диоды сборки работают уже достаточно эффективно.
Источниками вторичных импульсных напряжений являются три обмотки Wl, W2 и W3 трансформатора Т. 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.
Рис. 1.4. Вариант включения обмотки импульсного трансформатора
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 популярной 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 ранее.
Амплитуда импульсов на выходе выпрямителя составляет 60 В. Уровень отфильтрованного постоянного напряжения непосредственно на ШИМ-преобразователе зависит от длительности выпрямленного импульса и промежутка между импульсами так называемой «мертвой зоны». Диапазон изменения постоянного напряжения в данном случае составляет примерно от +25 до +30 В.
1.2. Схемотехника защиты и 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. 1.3, 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, 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.
1.2.1. Практические примеры схемотехники защиты ИИП
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. 2.2, используется узел, основу которого составляют трансформатор ТЗ и схема на диодах D9 и D10. Первичная обмотка W3 трансформатора ТЗ 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 С7. Через балансный резистор R12 происходит частичный разряд конденсатора С7 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 С7 накапливается заряд, пропорциональный длительности импульсов. Напряжение с этой обкладки через резистор R14 подается на вывод IC 1/15. Туда же через резистор R13 подводится напряжение вторичного канала источника питания +5 В.
Согласно функциональной схеме, представленной на рис. 1.5, вывод IC 1/15 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 IC 1/16) 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 уровня, 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.
Рис. 1.5. Функциональная блок-схема
Когда напряжение на входе IC 1/15 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 IC 1/15. Один вывод делителя соединен с источником положительного напряжения вторичного канала +5 В, а второй — с источником отрицательного напряжения, формируемого на конденсаторе С7. На конденсатор С7 подается выпрямленное и отфильтрованное напряжение, источником которого являются вторичные обмотки трансформатора ТЗ. Уровень напряжения на отрицательной обкладке конденсатора С7 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 С7. Изменение напряжения на выводе IC 1/15 является следствием вариации потенциала на конденсаторе С7.
Повышение нагрузки вторичной цепи вызывает рост отрицательного напряжения на С7, которое через резистор R14 передается на IC 1/15. 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.
Внимание, важно!
Таким образом, на базе трансформатора ТЗ 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 IC 1/4 — неинвертирующему входу внутреннего компаратора DA2 микросхемы ШИМ-преобразователя.
Действие механизма защиты направлено на увеличение потенциала этого входа в случае возникновения внештатной ситуации в нагрузочных цепях вторичных каналов.
Если напряжение на неинвертирующем входе DA1 превысит уровень пилообразного напряжения, действующего на втором входе компаратора, произойдет остановка формирователя ШИМ-последовательностей на выходах IC1.
Возрастание напряжения на IC 1/4 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 IC 1/4 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 IC 1. Транзисторы Q1 и Q2 соединены коллекторными электродами по схеме 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 IC 1/4 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 недостаточно 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 находится под воздействием потенциала, вызывающего обратное смещение
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 IC 1. 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 IC 1/4 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 IC 1/14 появляется опорное напряжение, которое через делитель из R6 и R16 поступит на IC 1/4 и блокирует работу микросхемы.
Для обеспечения нормального запуска IC1 применяется ключевой каскад на Q2, который начинает работать сразу после появления напряжения питания на выводе IC 1/12. В базовую цепь Q2 включены резисторы R4 и R5. Резистор R4 через конденсатор С5 соединен с цепью питания микросхемы IC1/12.
Когда происходит формирование начального импульса питания ШИМ-преобразователя, положительное напряжение через разряженный конденсатор С5 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 С5 на его отрицательной обкладке происходит экспоненциальный спад положительного напряжения.
Снижение положительного напряжения вызывает постепенное закрывание транзистора Q2. Постоянная времени разряда конденсатора определяется номиналами элементов С5 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 С6 открытым транзистором Q2.
После завершения процедуры «медленного» запуска, если нагрузочные цепи в порядке, управление напряжением на выводе IC 1/4 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.
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. 1.6 представлен один из вариантов системы комплексной защиты импульсного преобразователя напряжения.
Рис. 1.6. Основные элементы узла электронной защиты
Нумерация элементов относится только к компонентам этого рисунка. На приведенной схеме показаны первичная цепь каскада промежуточного усилителя с согласующим трансформатором Т, упрощенная схема включения микросхемы TL494. Узел защиты представлен полнофункциональной схемой; он 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 Т.
На среднем выводе первичной обмотки действует сигнал, форма которого представлена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Форма сигнала на среднем выводе первичной обмотки импульсного трансформатора ИИП
Резистор R14, диод D5 и конденсатор СЗ образуют схему выпрямителя и пассивного RC-фильтра импульсного сигнала. В итоге на конденсаторе СЗ появится положительное напряжение.
Уровень этого напряжения прямо пропорционален длительности импульсов управления, формируемых микросхемой ШИМ-преобразователя типа TL494. Напряжение, выделенное на конденсаторе СЗ, через резистор RIO 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 похожа на функционирование аналогичного узла из схемы, приведенной выше на рис. 1.3.
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 СЗ. Ширина управляющих импульсов будет возрастать, что вызовет увеличение напряжения на СЗ.
Поделиться книгой: