Андрей Кашкаров

Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

Список сокращении

ABИ — автогенераторный вспомогательный источник

БП — бестрансформаторный преобразователь

ВЧ — высокая частота, высокочастотный

ИБП — импульсный блок питания

ИИП — импульсный источник питания

ИОН — источник опорного напряжения

КЗ — короткое замыкание

КПД— коэффициент полезного действия

КС — каскад сопряжения

НЧ — низкая частота, низкочастотный

ПК — персональный компьютер

ПН — преобразователь напряжения

СИП — схема измерения перенапряжения

СК — согласующий каскад

УМ — усилитель мощности

ФПН — формирователь пилообразного напряжения

ЧИМ — частотно-импульсная модуляция

ШИМ — широтно-импульсная модуляция

ЭДС — электродвижущая сила

Меры безопасности

Выполняя работы по конструированию или ремонту электронной техники, вы должны всегда помнить несложные правила безопасности.

Знание основных правил позволяет организовать свою работу так, чтобы исключить либо свести к минимуму воздействие неблагоприятных факторов на себя и окружающих.

Работа с электричеством опасна тем, что оно не действует на органы чувств до момента соприкосновения с токоведущими проводниками и контактами. Это затрудняет дистанционное обнаружение опасности.

Прежде всего нужно соблюдать особую осторожность при работе с электричеством, горючими и легковоспламеняющимися жидкостями, кислотами и щелочами, иными токсичными веществами. Эти правила, по сути, знает любой школьник и, конечно же, специалист, обслуживающий импульсные источники электропитания. Но поскольку время от времени происходят трагедии из-за пренебрежения этими правилами, считаю нелишним напомнить основные требования техники безопасности.

Электрическое напряжение свыше 40 В опасно для жизни. Степень поражения зависит от пути прохождения электрического тока через тело человека и от силы тока, особенно той его части, которая проходит через сердце. Наиболее опасны пути тока «рука — нога» и «рука — рука». Поэтому при настройке радиоаппаратуры и поиске неисправностей старайтесь работать одной рукой во избежание прикосновения к токоведущим частям обеими руками. Особую осторожность необходимо соблюдать, когда электронное устройство преобразователя напряжения конструктивно собрано и эксплуатируется по бестрансформаторной схеме, с помощью импульсного преобразователя или через автотрансформатор. В этом случае выход даже низковольтного источника вторичного питания может оказаться под напряжением сети относительно «земли». Важно изолировать себя от «земли», чтобы исключить поражение электрическим током при случайном прикосновении к элементам устройства или его общей шине (общему проводу).

Монтажные работы следует производить вдали от заземляющих конструкций (водопроводных труб, радиаторов отопления) или принять необходимые меры, чтобы исключить случайное прикосновение к ним.

Заменять вышедшие из строя или «подозрительные» детали следует только после полного верифицируемого отключения устройства от сети.

Нельзя проверять исправность предохранителей в устройстве импульсного преобразователя напряжения, включенного в сеть, путем их замыкания.

Следует помнить, что переутомление, опьянение, повышенная потливость, сердечные и нервные заболевания при прочих равных условиях создают повышенную опасность тяжелого поражения электрическим током. Поэтому занимайтесь любимым делом, отдохнув, с воодушевлением (на то оно и любимое), и в хорошем настроении.

И все у вас получится.

Предостережение о мерах личной безопасности

Перед выполнением регулировочных операций под напряжением необходимо принять следующие меры предосторожности:

1. Установить разделительный трансформатор в цепи питания переменного тока.

2. Убедиться, что сетевое напряжение в пределах -230 В ± 10 %, 50 Гц.

3. Перед подключением сетевой вилки убедиться, что кнопка включения устройства находится в положении «выключено».

Категорически запрещается во время проведения регулировочных и ремонтных работ непосредственно на печатных или монтажных платах «разрывать» или «замыкать» какие-либо элементы в электрической цепи при включенном в сеть источнике питания, а также работать в состоянии алкогольного или иного опьянения.

Всегда помните, что вы еще нужны вашим детям!

Глава 1

Импульсные источники питания бытовой и специальной радиоаппаратуры

1.1. Принципы схемотехники импульсных источников питания

Каждое электронное устройство оснащено источником электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству в целом и условиями его эксплуатации. В общем случае источники вторичного электропитания — это преобразователи первичной энергии в энергию, пригодную для работы устройства, наделенного определенными пользовательскими функциями. Дополнительной, часто, безусловно, необходимой функцией источника электропитания может быть обеспечение гальванической развязки между источником первичного напряжения и нагрузочными цепями.

Тип приборов под общим названием «источники питания» объединяет множество устройств. К их числу относятся как простые, на первый взгляд, электрохимические элементы с заданными характеристиками для переносных приборов, так и достаточно сложные, стационарные преобразователи энергии. Последние выполнены на основе узлов, способных осуществлять различные виды подстроек и регулировок для защиты от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

Качество работы и временная стабильность параметров источника питания зачастую являются определяющими факторами работоспособности прибора в целом; в данной книге этому важному вопросу посвящен специальный раздел. Именно поэтому при проверке технических характеристик того или иного устройства источнику питания следует уделять особое внимание.

В XXI веке уже произошла замена традиционных источников питания стационарного оборудования на основе силовых трансформаторов, функционирующих на частоте питающей сети, импульсных источников питания, или так называемых бестрансформаторных преобразователей первичного сетевого напряжения. Принцип их действия основан на преобразовании исходного первичного напряжения низкой частоты (десятки герц) питающей промышленной сети в более высокочастотные колебания (несколько десятков килогерц) с последующей трансформацией. Сегодня преобразователи подобного типа составляют большинство источников вторичного электропитания устройств как бытового, так и промышленного назначения.

1.1.1. Схемотехника цепей ИИП

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

• источники бестрансформаторного питания мощностью до 1000 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;

• обмотки трансформаторов ВЧ-колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;

• высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ-трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80 %, что в обычных источниках почти недостижимо;

• широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ-преобразователя.

Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИИП в сети 220 В, 50 Гц.

Блок-схема электронных узлов импульсного источника питания с несколькими выходными напряжениями представлена на рис. 1.1.

Выпрямленное, отфильтрованное и стабилизированное напряжение подается в нагрузку с выхода вторичных цепей источника питания. В импульсных источниках для бытовой радиоаппаратуры во вторичной цепи формируются четыре номинала постоянных напряжений и особый служебный сигнал «питание в норме». Мы рассмотрим его в следующих разделах. Оригинальное наименование этого сигнала — POWERGOOD, или сокращенно PG.

Значения вторичных напряжений и допустимые уровни их возможных отклонений от номиналов приведены выше. Вторичные каналы обладают различной токовой нагрузочной способностью. Самая большая нагрузка падает на вторичный канал напряжения +5 В. При этом максимально возможный ток по каналу зависит от общей мощности источника питания.

Рис. 1.1. Блок-схема электронных узлов ИИП

1.1.2. Варианты схемотехники вторичных цепей ИИП

В предельных режимах эксплуатации источника питания токовая нагрузка по каналу «+5 В» имеет значение, когда ток измеряется в десятках 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 С21. В схеме выпрямителей каналов +12 и -12 В применяются обычные диоды с улучшенными импульсными характеристиками. С помощью пропорционально интегрирующего фильтра R33, С21 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 теплоотводе-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 емкостный фильтр на элементах С17, С18 и R31. Выход этого фильтра соединяется с выводом IC 1/12 внутреннего питания микросхемы ШИМ-преобразователя.

Представленное схемотехническое решение (см. рис. 1.2) 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. Дополнительные стабилизаторы устанавливаются в канале -5 В.

На рис. 1.2 представлен вариант принципиальной схемы вторичной цепи импульсного источника питания.

Рис. 1.2. Другой вариант электрической схемы вторичной цепи ИИП

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 элементах LI, L3, С7.

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.

В канале фильтрации напряжения +5 В использованы два последовательно соединенных Г-образных фильтра. Первый включает в себя обмотку дросселя L1 и конденсатор С4, параллельно которому установлен балансный резистор R4.

Второй фильтр образован дискретным дросселем L4 и группой электролитических конденсаторов С8, С9 и СЮ. Стабилизация напряжений вторичной цепи производится слежением за состоянием выходного уровня канала +5 В.

1.1.3. Особенности двухполупериодных схем выпрямителей

Силовой трансформатор Т4 источника, выполненного по принципиальной схеме (см. рис. 1.3), имеет две вторичные обмотки.

По определению, принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. В первичной обмотке под действием напряжения в сердечнике наводится магнитный поток, пропорциональный этому напряжению, который, в свою очередь, наводит электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции во вторичных обмотках. ЭДС, наводимая во вторичных обмотках, прямо пропорциональна количеству витков этих обмоток. Трансформатор служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения с преобразованием мощности и при неизменной частоте.

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 Т4 нагружены на двухполупериодные диодные выпрямители.

Импульсные источники питания компьютеров всех модификаций во вторичных цепях используют двухполупериодные выпрямительные схемы.

Такое инженерное решение обеспечивает симметричное распределение нагрузки обоих транзисторов усилителя мощности. Работа транзисторов в идентичных режимах исключает развитие неконтролируемых процессов, возникающих вследствие разбалансирования 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.

Рис. 1.3. Принципиальная схема ИИП

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 канале. В остальных цепях вторичных каналов напряжений включено по отдельному дополнительному дросселю.

Канал +5 В также содержит наибольшее количество оксидных 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 увеличение 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 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.

1.2.2. Формирование и контроль импульсов для схемы защиты

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 p-n-перехода. В обоих случаях замыкания транзистор Q1 будет закрываться, это вызовет и рост напряжения на его коллекторе. Увеличение напряжения передастся на вывод IC 1/4, 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 IC 1/4. Если напряжение на этом выводе превысит уровень +3 В, то произойдет блокировка цифрового тракта микросхемы IC1 и генерация импульсов на выводах IC 1/8,11 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 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.

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. 1.6) 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. В данном случае 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 имеет 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 В 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 возрастает. 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 напряжения на неинвертирующем входе компаратора «мертвой зоны» блокирует логический элемент DD1. Таким образом, 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. 1.3 и рис. 1.6, 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. 1.8, выполнен таким образом, что блокировка схемы управления производится по общему входу компаратора «мертвой зоны».

Рис. 1.8. Электронный узел защиты устройства преобразователя

На данном рисунке приведены основные элементы, непосредственно относящиеся к каскаду защиты, а также датчик — измеритель длительности импульсов управления.

Схема защиты, построенная в соответствии с рис. 2.8, выполняет отключение системы управления блоком питания при возникновении КЗ по любому из каналов с отрицательными номиналами напряжения, а также в случае увеличения длительности импульсов управления выше установленного интервала. После инициализации схемы ШИМ-преобразователя процедурой «медленного» запуска транзисторные каскады на Q1 и Q2 определяют состояние схемы управления импульсного усилителя мощности. Цикл «медленного» запуска заканчивается, и схема управления находится в нормальном рабочем режиме, когда оба транзистора Q1 и Q2 закрыты, а напряжение на выводе 4 микросхемы TL494 не будет превышать порогового уровня.

Отключение ШИМ-преобразователя и полная блокировка происходят при появлении на базе транзистора Q1 напряжения с положительным уровнем, равным 0,7…0,8 В. Действие всех датчиков состояния канальных напряжений направлено на формирование такого напряжения на базе Q1, когда возникает увеличение нагрузки в какой-либо вторичной цепи, превышающее уровень, заданный техническими характеристиками источника питания. Далее происходит последовательное переключение активных элементов, которое приводит к появлению высокого логического уровня на выводе TL494/4 и отключению этой микросхемы.

1.2.3. Организация контроля длительности импульсов управления

Контроль длительности импульсов управления осуществляется с помощью узла, собранного на элементах, подключенных к обмотке W2 согласующего трансформатора Т. Специальная обмотка W2 не используется в схеме формирования импульсных сигналов, а является дополнительным элементом, выполняющим функции датчика длительности положительных импульсов управления источником питания.

Один вывод обмотки W2 соединен с общим проводом вторичной цепи. Ко второму ее выводу подключен диод D8, образующий выпрямитель импульсного сигнала положительной полярности.

Нагрузкой выпрямителя является емкостный фильтр на конденсаторе С5, на котором выделяется положительное напряжение, пропорциональное длительности импульсов управления. Далее в электрической цепи установлены резисторы R1 и R15, а также подстроечный резистор R14. Цепью этих резисторов задается уровень напряжения на конденсаторе С5, при котором происходит открывание транзистора Q1. То есть соотношение резисторов в делителе определяет минимальную ширину импульсов управляющего сигнала, при которой происходит открывание транзистора Q1.

В канале защиты применяются биполярные транзисторы разных типов проводимости, включенные по схеме электронных ключей.

Транзистор Q1 открывается положительным напряжением относительно потенциала общего провода. Эмиттер транзистора Q2 соединен с выводом опорного напряжения схемы TL494. Его отпирание происходит, когда на базе действует напряжение, уровень которого ниже потенциала эмиттера.

В режиме нормального функционирования возможно частичное открывание транзистора Q1, но оно не приводит к переключению Q2 из закрытого состояния в насыщение.

В таком режиме напряжение на коллекторе Q2 мало изменяется и остается на уровне, близком к потенциалу общего провода. Низкое напряжение на аноде диода D4 не может его открыть, поэтому приращения напряжения на выводе 4 микросхемы TL494 не происходит. Потенциал этого вывода определяется падением только на резисторе R8.

Повышение нагрузки в основных каналах вторичной цепи приводит к тому, что схема управления усилителем мощности увеличивает длительность импульсов для компенсации энергетических потерь.

1.2.4. Работа устройства в режиме перегрузки

На дополнительной обмотке W2 согласующего трансформатора наводится ЭДС, форма которой полностью повторяет вид сигнала управления. Импульсный сигнал детектируется выпрямителем на D8 и фильтруется конденсатором С5.

Если источник питания работает в режиме перегрузки, то постепенно напряжение на конденсаторе достигнет уровня, при котором на базе Q1 появится открывающий положительный потенциал.

Нарастающее напряжение на базе Q1 плавно открывает транзистор, и напряжение на его коллекторе понижается. В коллекторной цепи Ql включен делитель на резисторах R2 и R3, средняя точка которого подсоединена к базе Q2. Понижение напряжения на коллекторе Q2 через R3 передается на базу Q2, открывая его. Собственное сопротивление транзистора Q2 уменьшается, положительное напряжение на его коллекторе начинает расти.

В том случае, если источник перегрузки вторичной цепи не устранен, рост напряжения на базе Q2 приведет к полному его открыванию и переключению транзистора в насыщение. Напряжение на аноде диода D4 будет равно опорному, имеющему значение +5 В, за вычетом падения на открытом транзисторе Q2. Через открытый диод D4 напряжение опорного источника поступает на вывод TL494/4, где его уровень будет составлять примерно +3,9 В. Это значение превышает максимальный уровень пилообразного напряжения, поэтому формирование импульсного сигнала на выходах ШИМ-преобразователя будет блокировано. Импульсы возбуждения не будут подаваться на усилитель мощности, передача энергии через импульсный силовой трансформатор во вторичную цепь прекратится.

Постепенно произойдет спад всех вторичных напряжений до нулевого уровня.

Возобновление работы преобразователя возможно только после переключения сетевого выключателя и нормальной генерации импульса начального питания ШИМ-преобразователя.

Аналогичное воздействие на транзисторные каскады схемы защиты будет вызвано резким падением уровня любого из каналов с отрицательными номиналами напряжений, подключенных к схеме через диод D3 и резистор R7. Принцип действия узла защиты от КЗ по слаботочным каналам основан на функционировании вентильной схемы, основным элементом которой является диод D2. Диод включен между датчиками уровней напряжений отрицательных уровней и базой транзистора Q1.

Катоды диодов D2 и D5 соединены по схеме «ИЛИ». Переключение транзисторных ключей на Q1 и Q2 будет выполняться, если в точке соединения диодов появится потенциал, достаточный для открывания транзистора Q1. При нормальной работе основных каналов, когда ширина импульсов управления укладывается в допуск, такое напряжение может быть подано только через диод D2.

Уровень напряжения на аноде D2 определяется соотношением сопротивлений резисторов R6 и R5. В точке соединения резистора R7 и диода D3 напряжение имеет значение -5,8 В. Резистор R5 одним выводом подключен к источнику опорного напряжения микросхемы TL494 с номинальным уровнем +5 В, вторым — к аноду D2.

Для того чтобы на катод диода D2 не поступало положительное напряжение, потенциал на аноде D2 должен быть нулевым или отрицательным. Для большей чувствительности схемы защиты потенциал выбирается именно нулевым.

Для поддержания нулевого уровня на аноде диода D2 у резистора R6 должно быть сопротивление на 15 % больше, чем у R5.

В установившемся режиме, когда все напряжения имеют номинальный уровень, элементы, соединенные с D2, не влияют на состояние ключевой транзисторной схемы.

Если в нагрузочной цепи каналов -5 или -12 В возникает ситуация, при которой происходит значительное падение уровней этих напряжений, осуществляется перераспределение напряжений в делителе из R5 и R6. Отрицательный потенциал, компенсирующий положительное напряжение опорного источника, в точку соединения этих резисторов поступать не будет. На анод D2 будет проходить только положительное напряжение через R5, которым последовательно откроются диод D2, а затем оба транзисторных ключа на Q1 и Q2. Это приведет к появлению напряжения +3,9 В на выводе 4 микросхемы TL494 и вызовет блокировку ШИМ-преобразователя и отключение источника питания.

Диоды D1, D2 и D5 выполняют функции элементов развязки и исключают взаимное влияние формируемых датчиками напряжений, возникающих при различных перегрузках источника питания.

Один из вариантов узла полной защиты источника питания по основным каналам вторичных напряжений представлен на рис. 1.9.

Главная особенность данной схемы в том, что из нее полностью исключены элементы, используемые в каскадах защиты слаботочных каналов с отрицательными уровнями напряжений. Узел состоит из датчиков ширины импульсов управления и датчиков повышения уровней напряжений по каналам +5 В и +12 В. Оценка функционирования маломощных каналов может производиться по ширине импульсов. Такое схемотехническое решение может быть использовано в источнике питания, где применена дополнительная стабилизация вторичных каналов отрицательных напряжений.

Интегральные стабилизаторы имеют внутренние схемы ограничения выходного тока в случае возникновения перегрузок.

Рис. 1.9. Вариант узла полной защиты источника питания по основным каналам вторичных напряжений

Внимание, важно!

Включение защиты интегрального стабилизатора может быть вызвано также перегревом корпуса стабилизатора.

При получении сигнала об отклонении работы преобразователя от номинального режима схема защиты вырабатывает сигнал положительного уровня, который подается на вывод 4 микросхемы TL494. Остальные внутренние элементы ШИМ-преобразователя для его блокировки не используются. Формирование сигнала о нарушении рабочего режима производится двухкаскадным усилителем на транзисторах Q1 и Q2. В исходном состоянии оба транзистора закрыты.

Напряжение на выводе 4 схемы TL494 задается соотношением сопротивлений резистивного делителя, состоящего из RIO и R11. Сопротивление резистора RIO значительно больше, чем у R11, поэтому в установившемся режиме, в отсутствие перегрузки, напряжение на TL494/4 близко к потенциалу общего провода.

В качестве датчика ширины импульсов управления используются трансформатор Т1 и элементы R3, VD4 и С4. Первичная обмотка трансформатора Т1 включена в диагональ полумостового усилителя мощности последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т2. К вторичной обмотке трансформатора Т1 подключена выпрямительная схема с однополупериодным выпрямителем на диоде D4 и емкостным фильтром — конденсатором С4. На конденсаторе С4 выделяется положительное напряжение, пропорциональное длительности импульсов управления.

К резистору R11, кроме сопротивления RIO, присоединена цепь, состоящая из резисторов R4, R6 и диода D6.

Параметры резисторов R4 и R6 подобраны так, чтобы колебания напряжения на конденсаторе С4 не влияли на уровень напряжения на резисторе R11. Анод диода D6 соединен с коллектором транзистора Q4 и через резистор R9 с базой транзистора Q3, являющегося первым ключевым элементом в цепи формирования сигнала блокировки микросхемы TL494.

Прежде чем положительное напряжение на аноде D6 нарастет до уровня его отпирания, оно постепенно откроет транзистор Q3. Коллектор транзистора Q4 соединен через резистор R9 с базой Q3, поэтому изменение напряжения на коллекторе первого транзистора будет сразу передаваться на базу второго. Повышение напряжения в этой точке может быть следствием увеличения нагрузки вторичных цепей и расширением положительных импульсов управления. Постепенное открывание транзистора Q3 сопровождается понижением его коллекторного напряжения и потенциала базы Q4. Передача положительного напряжения происходит через открывающийся транзистор Q4 на базу Q3.

Один транзистор подпитывает базу второго, процесс открывания обоих активных элементов развивается лавинообразно и в итоге приводит к полному открыванию двух транзисторов. Через насыщенный транзистор Q4, диод D4 и резистор R11 протекает ток.

Уровень напряжения, который устанавливается после открывания Q4 на резисторе R11, составляет примерно +3,9 В. Это напряжение превышает амплитуду пилообразного сигнала, действующего на инвертирующем входе внутреннего компаратора «мертвой зоны» DA1, входящего в состав микросхемы TL494. Происходят блокировка пилообразного напряжения на этом компараторе и остановка генерации импульсов на выходах микросхемы ШИМ-преобразователя. Такая последовательность действий осуществляется при увеличении нагрузки источника питания, когда система управления стремится компенсировать падение выходных уровней напряжений, увеличивая интервал активного состояния силовых транзисторов.

Цепи на элементах D1-D3, R1 и R2 выполняют функции детекторов увеличения напряжений основных вторичных каналов выше установленного предела. К выходам каналов с напряжениями +5 и + 12 В подключены пороговые схемы на стабилитронах D1 и D3 соответственно.

В данном случае используется свойство стабилитронов пропускать электрический ток, когда напряжение на них превышает уровень стабилизации. Пока напряжения на стабилитронах будут ниже уровня стабилизации, ток через них протекать не будет, и на положительной обкладке конденсатора С5 потенциал останется близким нулю. Диод D5 закрыт, и воздействия на базу транзистора Q3 не оказывается.

Пороговый уровень включения защитного механизма по вторичному каналу +5 В составляет +6,3 В. Фиксация возрастания напряжения выше номинального значения по каналу +12 В должна производиться на уровне примерно +15 В. Напряжение стабилизации D1 составляет +5,1 В, а диода D3 — до +14 В.

Если одно из положительных напряжений вторичных каналов достигает своего предельного уровня, то происходит «пробой» соответствующего стабилитрона и напряжение на конденсаторе С5 повышается, открывая диод D5. Отпирание диода и появление положительного потенциала на базе Q3 происходят, когда на конденсаторе С5 напряжение достигает положительного уровня, равного 0,7–0,8 В.

Если напряжение продолжает повышаться, то растет положительный уровень и на базе Q3. Выполняются условия для переключения бистабильной транзисторной схемы на ключах Q3 и Q4. Каждый из транзисторов открывается, и на вывод 4 микросхемы TL494 подается положительное напряжение +3,9 В, появление которого вызывает прекращение работы импульсного преобразователя.

Для устойчивой работы схемы защиты в базовую цепь транзистора Q3 включен керамический конденсатор С6. Он обеспечивает фильтрацию кратковременных импульсных помех, которые могут привести к переключению транзисторной схемы. В начальный момент, когда преобразователь подключает схему управления к напряжению питания, благодаря наличию конденсатора С5 происходит задержка включения транзисторного каскада. Диод D5 применяется для развязки каскадов, вырабатывающих сигналы воздействия на базу Q3 при различных проявлениях отклонения вторичных напряжений от номинальных уровней.

Во всех примерах схем защиты датчики и схемы воздействия на элементы управления преобразователем строились на основе дискретных элементов.

В следующих примерах приведены схемы, в которых в качестве первичных узлов, формирующих сигналы отключения ШИМ-преобразователя, применяются интегральные компараторы. Первая из таких схем приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Вариант схемы с интегральным компаратором

На схеме (рис. 1.10) показаны узлы, рассмотренные и в предыдущих вариантах исполнения каскадов защиты. Схема осуществляет контроль за длительностью управляющих импульсов, за коротким замыканием по каналам с отрицательными номиналами напряжений, а также слежение за превышением установленного уровня напряжения в канале +5 В.

Взаимодействие с микросхемой ШИМ-управления TL494 выполняется только по входу 4. Использование внутреннего усилителя DA4 для принудительного ограничения ширины импульсов управления не предусмотрено. В каскаде защиты используются два компаратора DA1 и DA2 из микросхемы типа LM339, выходы которых объединены по схеме «ИЛИ». В установившемся режиме оба выхода имеют высокий уровень.

Транзистор Q1 при этом закрыт, а напряжение на выводе TL494/4 определяется падением напряжения на резисторе R14, вызванным протеканием через него входного тока.

Датчик контроля длительности импульсов управления (трансформатор Т1 и элементы D3, D4, RIO, R7 и С1) введен в первичную цепь преобразователя. Первичная обмотка трансформатора Т1 включена в диагональ полумостового усилителя.

Через эту обмотку протекает тот же ток, что и через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т2.

Форма сигнала на Т1 полностью совпадает с импульсами управления преобразователем. Трехуровневый импульсный сигнал появляется на вторичной обмотке трансформатора Т1. Вторичная обмотка имеет три вывода. Со среднего вывода снимается сигнальное напряжение. Крайние выводы обмотки подключены к катодам диодов D3 и D4 двухполупериодного выпрямителя. Аноды диодов соединены с общим проводом вторичной цепи.

На среднем выводе обмотки W2 присутствуют импульсы положительной полярности. Частота следования импульсов в этой точке в два раза превышает частоту следования импульсов по каждому из выходов микросхемы TL494.

Импульсное напряжение сглаживается RC фильтром на элементах R7 и С1. Уровень напряжения на конденсаторе С1 зависит от длительности импульсов управления преобразователем. Повышение нагрузки вторичных цепей автоматически приводит к росту этого напряжения.

Конденсатор С1 подключен к одному из выводов резистора R4. Второй вывод резистора R4 через диод D1 подсоединен к шине вторичного напряжения канала +5 В. Резистивным делителем, образованным элементами R4-R6, задается уровень на инвертирующем входе компаратора DA1/4, входящего в состав микросхемы типа LM339.

Компаратор производит сравнение этого напряжения с потенциалом на DA1/5, установленным резистивным делителем на R8, R9. Делитель включен между выходом опорного напряжения, вырабатываемого микросхемой TL494 на выводе 4, и общим проводом вторичной цепи. Средняя точка делителя присоединена к неинвертирующему входу компаратора DA1/5. На резисторе R4 происходит суммирование части вторичного напряжения от канала +5 В и напряжения, поступающего от датчика ширины импульсов управления, на трансформаторе Т1.

Сумма напряжений делится пропорционально величинам сопротивлений резисторов R5 и R6.

Точка соединения этих резисторов подключена к входу компаратора DA1/4. При нормальном рабочем режиме источника питания уровень опорного напряжения на входе DA1/5 несколько больше, чем на входе DA1/4. Напряжение на выходе компаратора близко по значению к опорному. Повышение одного из напряжений, суммируемых на R4, вызовет пропорциональное возрастание потенциала на DA1/4. Когда напряжение на инвертирующем входе компаратора станет больше, чем на другом его входе, произойдет быстрое переключение компаратора.

На выходе установится низкий уровень. Нагрузкой, соединенной с выходами компараторов, являются последовательно соединенные резисторы R11 и R12. К точке их соединения присоединена база транзистора Q1. Когда происходит переключение выхода компаратора от высокого уровня к низкому, база Q1 оказывается под открывающим потенциалом. Транзистор Q1 открывается, напряжение на его коллекторе повышается. Возрастающее напряжение с коллектора Q1 подается через диод D5 на вход компаратора DA2/8.

Повышение напряжения на входе компаратора DA2/8 вызывает его переключение. С этого момента выходы обоих компараторов имеют низкие уровни.

Высокий уровень напряжения на выводе TL494/4 приводит к отключению ШИМ-преобразователя в соответствии с описанной выше последовательностью действий внутри TL494.

Начальное переключение компаратора DA1 происходит либо при повышении выходного уровня во вторичном канале +5 В, либо из-за увеличения нагрузки по основным вторичным каналам сверх установленного предела. Компаратор DA1 совмещает в себе функции вторичного датчика уровня напряжения в канале +5 В и длительности импульсов управления усилителем мощности.

1.2.5. Особенности схемотехники компаратора

На втором компараторе микросхемы LM339 собран ключевой элемент, выполняющий слежение за состоянием каналов с отрицательными номиналами напряжений. В нормальном состоянии делителями напряжений на входах устанавливаются потенциалы, при которых выходной уровень напряжения компаратора — высокий (напряжение на DA2/9 больше, чем на DA2/8). Резисторами делителей, подключенных к входам компаратора DA2, выбирается порог чувствительности схемы.

Малой разницей напряжений на входах обеспечивается быстрое переключение компаратора, но схема может быть слишком чувствительна к случайным кратковременным помехам. Исходная разность потенциалов по входам выбирается 1 В.

Опорный уровень на входе DA2/9 формируется из опорного напряжения, вырабатываемого на выходе TL494/14.

Когда происходит КЗ по одному из контролируемых каналов, напряжения на входах компаратора перераспределяются, в результате знак разности их потенциалов изменяется. Происходит переключение компаратора с последующим открыванием транзистора Q1. Открытый Q1 представляет собой малое сопротивление, через которое анод диода D5 подключается к опорному напряжению. Диод D5 используется как элемент обратной связи между входом DA2/8 и выходом схемы защиты — коллектором Q1.

Положительный потенциал от коллектора Q1 передается на инвертирующий вход компаратора DA2, еще более увеличивая разность потенциалов между его входами. Система защиты после переключения компаратора и транзистора Q1 приходит в равновесное состояние. Вывести систему защиты из состояния блокировки микросхемы TL494 можно только переключением первичного напряжения питания и выполнением полного цикла начальной инициализации всей схемы источника питания.

На рис. 1.11 представлена комплексная схема защиты источника питания, последняя в данном подразделе, на которой компоненты узла защиты изображены полностью, а схемы включения полумостового усилителя мощности и ШИМ-преобразователя — микросхемы TL494 — условно.

Рис. 1.11. Пример схемы комплексной защиты ИИП

Схема реализует самый полный комплекс мер по защите элементной базы источника питания.

Данный каскад защиты реагирует на увеличенное потребление энергии по основным каналам вторичных напряжений, чрезмерное возрастание уровня напряжения в канале + 12 В, а также на КЗ по всем вторичным каналам.

Ни в одной из схем защиты не рассматривался вариант, содержащий отдельные датчики, настроенные на контроль превышения уровня вторичного напряжения для канала +5 В. Основная нагрузка, как правило, подключается именно к выходу этого канала, и функции слежения за значением его напряжения возложены на узлы микросхемы TL494. При рассмотрении работы функциональных узлов этой микросхемы будут использованы обозначения, принятые на рис. 2.5.

Управление длительностью импульсов управления усилителя мощности может выполняться как с помощью усилителя DA3, так и по сигналам DA4. Принципиальной разницы нет, но традиционно (что видно по всем приведенным примерам) сигнал рассогласования вырабатывается усилителем DA3, а усилитель DA4 используется в составе схемы защиты для принудительного ограничения длительности импульсов управления и блокировки ШИМ-преобразователя.

В схеме, представленной на рис. 1.11, слежение за выходным уровнем этого канала выполняется с помощью операционного усилителя DA3, входы которого выведены через выводы TL494/1 и TL494/2. Выходы усилителей соединены через развязывающие диоды. При нормальном режиме работы источника питания на выходе усилителя DA4 установлено нулевое напряжение, и оно не оказывает влияния на сигнал, действующий на выходе усилителя DA3. Усилитель DA4 не охвачен обратной связью, поэтому его работа аналогична функционированию компаратора — выход этого усилителя может иметь только два состояния: низкого и высокого уровней. Процесс перехода из одного состояния в другое происходит достаточно быстро.

При низком уровне на выходе DA4 диод D2 закрыт, а при высоком уровне этот диод открывается. Выходной уровень усилителя зависит от соотношения напряжений на выводах TL494/16 и TL494/15, через которые подводятся входные сигналы к усилителю DA4. В схеме, приведенной на рис. 1.11, вывод TL494/16 подключен к общему проводу вторичной цепи. На вход TL494/15 подведено напряжение от делителя на резисторах R24 и R25. Резисторы делителя питаются от «датчика ширины импульсов управления» (подводится к точке соединения R24 и R25) и источника напряжения, подключенного между выходом вторичного канала +5 В и выводом TL494/14.

От датчика длительности импульсов управления на делитель поступает отрицательное напряжение, которое формируется на конденсаторе С7, куда оно подается от датчика, выполненного на трансформаторе Т1.

Во вторичной цепи трансформатора включен двухполупериодный выпрямитель, с помощью которого выделяются импульсы отрицательной полярности.

Импульсный сигнал сглаживается фильтром, состоящим из резистора R23 и конденсатора С7. Соотношение резисторов R24-R27, подключенных к входу TL494/15, выбрано так, чтобы в режиме нормальной работы напряжение на этом выводе было положительным.

Этим обеспечивается установка нулевого уровня на выходе DA4.

При возникновении перегрузки и расширении импульсов управления силовым каскадом отрицательное напряжение на конденсаторе С7 повышается. Рост отрицательного напряжения приводит к снижению положительного потенциала на выводе TL494/15.

Когда напряжение на этом выводе уменьшится до нулевого уровня, усилитель DA4 переключится, и на его выходе появится высокое напряжение. Его значение превышает выходной уровень усилителя DA3, диод D1 оказывается закрытым, а выход DA3 — блокированным. Переключение DA4 протекает быстро и проходит через стадию, в течение которой нарастающим напряжением вызывается принудительное ограничение длительности выходных импульсов ШИМ-преобразователя.

Перед полной блокировкой ширина импульсов плавно, но достаточно быстро уменьшается до нуля. Генерация импульсов прекращается, ритмичное переключение силовых транзисторов останавливается. Передача энергии через импульсный трансформатор отсутствует, вторичные цепи обесточиваются.

С помощью усилителя DA4 в схеме защиты выполняется слежение только за длительностью импульсов управления. Остальные функциональные узлы контроля состояния вторичных цепей воздействуют на микросхему TL494 через неинвертирующий вход внутреннего компаратора мертвой зоны DA1, соединенный с выводом 4 этой микросхемы.

К выводу TL494/4 подключены схемы «медленного» запуска, выход схемы защиты и каскад, шунтирующий схему защиты в течение инициализации узлов источника питания. «Медленный» запуск обеспечивается за счет применения дифференцирующей цепи на конденсаторе С2 и резисторе R14. Выходным активным элементом системы защиты является транзистор Q2. К его коллектору по схеме «ИЛИ» подключен ключевой транзистор Q1. К базе этого транзистора подсоединен резистивный делитель R7 и R8. Верхний по схеме резистор R7 делителя через конденсатор С1 соединен с шиной питания микросхемы TL494. Когда на этой шине появляется питающее напряжение, на базе транзистора Q1 возникает положительный импульс. Положительным импульсом транзистор Q1 открывается, и в течение времени перезарядки конденсатора С1 на его коллекторе поддерживается напряжение, близкое к потенциалу общего провода. Вторичные напряжения нарастают с задержкой относительно всех напряжений питания каскадов защиты и микросхемы ШИМ-управления — TL494.

Благодаря работе транзистора Q1 в начальный момент исключается возможность появления положительного потенциала на входе TL494/4. Только после появления нормальных уровней в цепях вторичных каналов транзистор Q1 переключается и остается в закрытом состоянии до конца рабочего цикла источника питания. Закрытый транзистор не мешает работе выходного каскада системы защиты на Q2.

Рабочее состояние источника питания сохраняется до тех пор, пока на коллекторе Q2 не появится положительный потенциал, который через диод D4 передается на вход TL494/4. С появлением этого напряжения прекращается функционирование импульсного преобразователя.

Положительное напряжение достаточного уровня для блокировки микросхемы TL494 будет присутствовать на коллекторе Q2, если он окажется в закрытом состоянии. База транзистора Q2 постоянно подключена к общему проводу, поэтому для поддержания его в проводящем состоянии на эмиттере должен быть установлен потенциал, равный примерно -0,7…-0,8 В. Для формирования такого напряжения используется схема, состоящая из элементов D9, R21, R22, R13 и D6. На диоде D9 и резисторе R22 собран датчик фиксации КЗ, а на стабилитроне — датчик превышения уровня напряжения по каналу +12 В. Если уровни напряжений по выходам отрицательных каналов нормальны, то в точке соединения диода D9 и резистора R22 напряжение составляет -5,8 В.

Делителем напряжения, состоящим из резисторов R13 и R21, на эмиттере транзистора Q2 устанавливается напряжение -0,7…-0,8 В.

Пока уровень напряжения в канале +12 В находится в допустимых пределах, наличие стабилитрона D6 на работу транзисторного каскада на Q2 влияния не оказывает. Переключение транзистора Q2 может произойти только в случае резкого падения уровня любого из вторичных каналов с отрицательными номиналами напряжений.

При этом напряжение на катоде диода D9 приблизится к потенциалу общего провода, что также отразится на уровне напряжения на эмиттере Q2. Транзистор закроется, и напряжение опорного источника от TL494/14 через диод D4 поступит на вход TL494/4.

Второе условие, которое окажется достаточным для увеличения положительного потенциала на эмиттере Q2, — рост напряжения по каналу +12 В выше уровня стабилизации стабилитрона D6, которое составляет 15 В. Если это условие выполняется, то, несмотря на нормальное состояние напряжений по отрицательным каналам, потенциал на эмиттере Q2 будет нулевым или даже положительным. Транзистор закроется, и далее заблокируется микросхема TL494.

Наряду с рассмотренными каскадами к эмиттеру Q2 подключены датчики короткого замыкания по основным вторичным каналам. Выполнены они на двух компараторах DA1 и DA2 из состава микросхемы LM339. На неинвертирующих входах каждого из компараторов установлен общий опорный уровень, сформированный от стабильного напряжения, вырабатываемого на выводе TL494/14.

На инвертирующие входы компараторов поданы напряжения, пропорциональные уровням выходов по каналам +5 и +12 В.

В исходном состоянии уровень опорного напряжения на входах DA 1/7 и DA2/5 ниже, чем на инвертирующих входах. Напряжение на выходах низкое.

Каждый выход подключен к эмиттеру Q2 через диоды развязки. Падение напряжения в одном или обоих основных каналах вызовет переключение выходного уровня компаратора. Через соответствующий диод развязки D2 или D3 и диод D5 положительное напряжение поступит на эмиттер Q2, вызывая его запирание.

С момента запирания транзистора Q2 начинаются последовательные переключения внутренних элементов микросхемы TL494, которые приводят к отключению ее выходных каскадов и обесточиванию вторичных цепей.

Логика микропроцессорной системы ПК организована таким образом, что для инициализации ее нормального функционирования требуется подача не только определенного напряжения питания, но и служебных сигналов.

Импульсный преобразователь напряжения вырабатывает сигнал высокого логического уровня для информирования центрального процессора системного блока о том, что напряжения питания приняли номинальное значение и компьютер может начинать свою работу

Вернемся назад и вспомним, что в схеме, представленной на рис. 1.2, узлом на транзисторе Q7 вырабатывается сигнал «питание в норме» (POWERGOOD). Сигнал снимается с коллектора транзистора Q7. В исходном состоянии вторичных цепей, когда напряжения на них отсутствуют, каскад на Q7 обесточен. Питание коллекторной цепи транзистора Q7 осуществляется от выходной цепи вторичного напряжения канала +5 В. Принцип срабатывания каскада на этом транзисторе аналогичен функционированию узла на транзисторе Q2. Базовая цепь транзистора Q7 соединена с выходом канала +5 В через оксидный конденсатор С22. Появление положительного напряжения на выходе этого канала сопровождается возникновением положительного потенциала на отрицательной обкладке С22. Этот потенциал через резистор R36 поступает на базу транзистора Q7.

Эмиттер транзистора Q7 соединен с общим проводом, поэтому возрастающее базовое напряжение открывает транзистор.

Когда потенциал на базе увеличивается до уровня 0,7…0,8 В, транзистор Q7 переходит в насыщение, и напряжение на его коллекторе падает до низкого логического уровня. По мере заряда конденсатора С22 напряжение на базе транзистора Q7 снижается, и он, соответственно, закрывается. Напряжение на коллекторе транзистора возрастает до уровня питания, равного +5 В.

Внимание, важно!

Сигнал «питание в норме» вырабатывается при каждом включении источника питания. Если через короткий промежуток времени появляется необходимость повторного включения источника питания, то необходимо полностью разрядить конденсатор С22. В цепь ускоренного разряда конденсатора введен диод D23, шунтирующий сопротивления резистивного делителя на R36 и R37.

Разряд этого конденсатора после отключения электропитания осуществляется через диод D23, минуя резистивные элементы.

Это важно учитывать при использовании блоков питания для ПК в непрофильных целях, к примеру так, как часто использую их я, — в качестве блоков питания для электронных самоделок разного назначения и сложности и даже для питания относительно мощной (в режиме «передача» ток 10 А) радиостанции.

1.2.6. Схемы формирования сигнала POWERGOOD

Существует определенное разнообразие схем формирования сигнала POWERGOOD как управляющего импульса для выхода ИИП-преобразователя из дежурного режима. Эти схемные решения отличаются сложностью схемотехники и алгоритмом работы.

Так, для формирования сигнала «питание в норме» в различных схемах часто применяется интегральная микросхема типа LM339, структурная схема которой представлена на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Структурная схема микросхемы LM339

Разводка выводов приведена для исполнения в пластиковом корпусе типа DIP.

Микросхема содержит четыре одинаковых компаратора напряжений.

Выходные каскады в них содержат транзисторные ключи с открытым коллектором. Для нормального функционирования выход компаратора подключается к источнику положительного напряжения через токоограничительный резистор.

Положительное напряжение питания на все элементы микросхемы подается через вывод 3. Общий провод схемы, соединенный с выводом 12, подключается к отрицательному полюсу источника питания.

Высокий уровень сигнала «питание в норме» устанавливается при достижении вторичными напряжениями номинальных величин.

Используется несколько способов формирования сигнала «питание в норме».

Оно может выполняться прямым измерением пороговым устройством выходного напряжения в канале +5 В или применением каскада, обеспечивающего задержку нарастания основного напряжения на выходе схемы и подачи его на вывод PG.

В схеме, представленной на рис. 1.13, генерация сигнала «питание в норме» происходит в результате косвенной оценки уровня напряжения вторичного канала +5 В.

Рис. 1.13. Схема для генерации сигнала «питание в норме»

В электронном каскаде применены один интегральный компаратор из состава микросхемы LM339 и эмиттерный повторитель напряжения на Q1. Благодаря применению компаратора на шине PG сигнал имеет ступенчатый характер с крутым фронтом. Этим исключается неустойчивая работа цифровых схем нагрузки, возможная при плавном нарастании уровней импульсов.

В начальный момент работы схемы напряжение питания появляется на микросхеме ШИМ-преобразователя — TL494. Внутренний источник опорного напряжения на выводе TL494/14 формирует опорное стабилизированное напряжение +5 В, которое через резистивный делитель на R3, R4 подается на инвертирующий вход усилителя DA3 микросхемы TL494. Пока на выходе вторичного канала +5 В напряжение не достигнет номинального значения, напряжение на выходе усилителя DA3 будет иметь низкий уровень. К выходу TL494/3 подключена база эмиттерного повторителя напряжения.

Низкий уровень с этого выхода микросхемы передается в эмиттерную цепь транзистора и далее на неинвертирующий вход компаратора микросхемы LM339. На втором входе выставлен опорный уровень напряжения, снимаемый с резистивного делителя напряжения на резисторах R9 и RIO.

Резистивный делитель включен между выходом TL494/14 и общим проводом. Напряжение на входе LM339/6 компаратора превышает уровень, установленный на выводе 7.

Напряжение на выходе компаратора низкое.

В процессе «медленного» запуска источника питания происходит постепенное повышение напряжения на выходе канала +5 В, которое передается на вход TL494/1 внутреннего усилителя ошибки DA3. По мере увеличения разности потенциалов между входами усилителя DA3 на его выходе происходит изменение напряжения.

Оно получает положительное приращение и достигает уровня, при котором открывается диод D1. Через открытый диод положительный потенциал проходит на внутренние каскады микросхемы TL494, а также на базу транзистора Q1.

Повышение базового напряжения повторяется на эмиттере Q1 и передается на вход 7 компаратора микросхемы LM339. Когда напряжение на этом входе сравняется с уровнем, установленным на втором входе — выводе 6, произойдет переключение компаратора, и на его выходе возникнет потенциал, близкий по значению выходному напряжению канала +5 В. Напряжение на выходе 1 компаратора появляется с задержкой относительно момента установки выходных уровней во вторичных каналах источника питания. Дополнительная задержка обеспечивается подключением к эмиттеру транзистора Q1 оксидного конденсатора С2. Заряд на конденсаторе нарастает плавно, задержку появления высокого уровня сигнала «питание в норме» можно регулировать как величиной емкости конденсатора С2, так и номиналом резистора R7, через который происходит процесс заряда.

Таким образом, данная схема не содержит элементов слежения за уровнем напряжения непосредственно на выходе канала +5 В (за исключением усилителя DA3 микросхемы TL494). Решение о достижении вторичными напряжениями номинальных уровней принимается по виду сигнала на выводе TL494/3 в момент начала их активной регулировки микросхемой TL494.

В схеме, элементы которой изображены на рис. 1.14, формирование сигнала «питание в норме» производится при предполагаемом условии, что во вторичных цепях все процессы протекают нормально.

Уровни вторичных напряжений в схеме не оцениваются. Схема разработана с учетом последовательности появления напряжений питания каскада ШИМ-управления. Положительный перепад сигнала вырабатывается пороговыми схемами. Выходной каскад выполнен на транзисторном ключе, коллекторная нагрузка которого (резистор R6) подключена к напряжению вторичного канала +5 В.

Принцип работы электрической схемы, приведенной на рис. 1.14, становится понятным, если проследить динамику процесса появления питающих напряжений в каскаде ШИМ-преобразователя.

Рис. 1.14. Электрическая схема ШИМ-управления

Когда источник питания подключается к первичной сети, возбуждается схема обеспечения начального питания каскада ШИМ-управления. Появляется напряжение питания этого каскада, поступающее на TL494/12. При достижении этим напряжением уровня +7 В (примерно) происходит запуск внутренних функциональных узлов схемы ШИМ-преобразователя, а на его вывод 14 поступает опорное напряжение с номинальным уровнем +5 В.

Этим опорным напряжением питается микросхема компаратора, и от него же устанавливается уровень напряжения на выводах 5 и 6. В это время продолжается увеличение потенциала на TL494/14 и, соответственно, на стабилитроне D1. Пока его напряжение не превысит уровня стабилизации, потенциал на резисторе R1 будет оставаться нулевым.

Уровень на выходе верхнего по схеме компаратора также нулевой. На аноде диода D3, соединенном с входом 4 второго компаратора, напряжение имеет значение +0,8 В, до этого уровня через резистор R4 и заряжается конденсатор С1. Так как опорное напряжение на входе 5 больше уровня на входе 4, на выходе второго компаратора устанавливается напряжение, равное опорному.

Высокий уровень инвертируется транзисторным ключом Q1.

Когда происходит «пробой» стабилитрона и напряжение на резисторе R1 достигает уровня опоры, установленной на входе DA1/7, компаратор переключается. Диод D3 оказывается под закрывающим напряжением. Напряжение на аноде D3 плавно повышается благодаря заряду конденсатора С1. Постоянная времени заряда зависит от значения емкости самого конденсатора С1 и резистора R4. Потенциал на С1 нарастает до уровня опорного напряжения. В момент сравнения напряжений на входах DA2/4 и DA2/5 компаратор DA2 опрокидывается, и на его выходе уровень спадает практически до потенциала общего провода. Транзисторный ключ на Q1 закрывается, на его коллекторе напряжение равно уровню, который в данный момент достигнут во вторичном канале +5 В.

Применение компараторов в схеме обеспечивает формирование выходного сигнала с крутым фронтом. Без них изменение напряжения в цепи PG происходило бы плавно, отслеживая нарастание или спад уровня на конденсаторе С1.

На рис. 1.15 показан фрагмент принципиальной схемы вторичной цепи импульсного источника питания.

В состав фрагмента включена цепь выпрямления и фильтрации напряжения канала +5 В, а также узел, вырабатывающий сигнал POWERGOOD, выполненный с применением компараторов из микросхемы LM339.

Рис. 1.15. Фрагмент принципиальной схемы вторичной цепи ИИП

Особенность данной схемы состоит в том, что при включении источника питания происходит формирование сигнала «питание в норме» с задержкой относительно вторичных напряжений, а при отключении блока питания от сети этот служебный сигнал снимается до спада уровней вторичных напряжений.

Для работы узла формирования сигнала «питание в норме» используются только вторичные напряжения источника питания. Питание компараторов микросхемы LM339 осуществляется от стабилизированного напряжения канала +5 В.

Этим же напряжением устанавливаются опорные уровни на входах компаратора. К одному из выводов вторичной обмотки канала +5 В подключен однополупериодный выпрямитель положительного напряжения на диоде D1.

Выпрямитель нагружен на RC-фильтр (элементы RI, С1) и резистивный делитель на резисторах R2 и R3. Керамический конденсатор С1 имеет относительно небольшую емкость (несколько тысяч пикофарад), по сравнению с фильтрующими конденсаторами, установленными на выходе канала +5 В.

Заряд С1 происходит очень быстро и достигает уровня, равного амплитуде действующих на вторичной обмотке импульсов, то есть 10 В.

Когда напряжение на выводе LM339/3 возрастет до минимального уровня питания компараторов, на входе LM339/9 начнет действовать потенциал, превышающий значение напряжения на LM339/8. Напряжение на выходе компаратора DA1/14 в этой ситуации имеет высокий уровень, его абсолютное значение определяется степенью заряда выходных конденсаторов канала +5 В. С некоторой задержкой относительно вывода 9 напряжение нарастает на входе 10, а уровень напряжения на LM339/11 зависит от времени заряда конденсатора С5. Заряд происходит через резистор R9.

Емкость конденсатора С5 может составлять несколько микрофарад, а сопротивление резистора R9 — примерно 50 кОм. Между выводами 9 и 11 включен резистор R7 достаточно большого номинала, благодаря которому обеспечивается развязка, а также разнесение по времени нарастания напряжений на них.

В начальный момент работы схемы, когда заряд на конденсаторе С5 полностью отсутствует и ток, протекающий через него, максимален, напряжение на выводе LM339/11 определяется соотношением сопротивлений резисторов R7 и R8. Сопротивление R8 во много раз меньше, чем у резистора R7, поэтому потенциал в точке их соединения близок к уровню общего провода.

Цепь заряда конденсатора С4 также имеет меньшую постоянную времени, чем цепь заряда конденсатора С5, поэтому более высокий уровень напряжения первоначально появляется на входе LM339/10. Выходное напряжение компаратора DA2 практически сразу после включения источника имеет на выходе низкий уровень. Через сопротивления резисторов R8 и R9 заряжается конденсатор С5. Когда напряжение на нем превысит потенциал на конденсаторе С4, произойдет переключение DA2, и на его выходе скачком появится высокий уровень напряжения.

Конденсаторы цепи фильтрации импульсного напряжения «канала +5 В» имеют относительно большую емкость, чтобы сохранять заряд после отключения источника питания от сети. В цепи выпрямителя на диоде D1 установлен конденсатор небольшой емкости, уровень напряжения на котором быстро изменяется при флуктуациях напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т.

В результате исчезновения импульсов напряжения на вторичной обмотке конденсатор С1 быстро разрядится.

В точке соединения резисторов R2 и R3 уровень также упадет раньше, чем это произойдет на входе LM339/8. Уровень на выходе компаратора DA1 изменится от высокого к низкому. Выходной транзистор компаратора DA1 будет открыт, и через него начнется разряд конденсатора С5. Постоянная времени разряда этого конденсатора зависит от его собственной емкости и величины сопротивления резистора R8. Однако она значительно меньше, чем постоянная времени разряда конденсатора С4. Спад напряжения на С5 произойдет быстрее, чем на С4.

На выходе компаратора DA2 высокий уровень также изменится на низкий. Сброс активного уровня на шине «питание в норме» информирует центральный процессор системного блока о необходимости завершения рабочего цикла и остановки.

1.3. Рекомендации по выявлению неисправностей ИИП

Все предварительные проверки функционирования отдельных узлов импульсного преобразователя должны производиться только от внешних источников питания. Применение иных источников питания и особенно подключение преобразователя непосредственно к сети переменного тока 220 В может привести к дальнейшему повреждению тестируемого прибора.

Для рекомендаций по поиску неисправностей и ремонту обратимся непосредственно к электрической схеме на рис. 1.3.

1.3.1. Проверка каскада ШИМ-преобразователя

Если в процессе функционирования источника питания отмечены отклонения от его нормального режима работы или произошел полный его отказ, проверку работоспособности преобразователя следует производить поэтапно, последовательно включая узлы схемы. Последовательная проверка необходима как для локализации неисправности, так и для обеспечения максимальной личной безопасности.

Для облегчения собственной работы по проверке функционирования каскадов формирования ШИМ-последовательностей следует предварительно выяснить следующие ключевые моменты:

• какой способ подачи питания на ШИМ-преобразователь применяется в данном изделии;

• какая схема защиты используется; при этом необходимо определить цепи микросхемы TL494, к которым подключаются каскады защиты.

Правильная идентификация типа схемы позволит правильно подключить внешние источники питания и измерительные приборы.

На начальном этапе целесообразно проконтролировать корректность процесса генерации импульсных последовательностей на выходах микросхемы IC1 и формирования сигналов внешнего возбуждения промежуточным усилителем на транзисторах Q3 и Q4.

Для проверки работоспособности этих узлов достаточно двух источников стабилизированных положительных напряжений, а также любого осциллографа.

При подключении оборудования электропитания все приборы должны быть обесточены. Схема подключения стабилизированных источников питания к узлу ШИМ-преобразователя для проверки его функционирования приведена на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Схема подключения стабилизированных источников питания к узлу ШИМ-преобразователя

Позиционные обозначения элементов соответствуют их обозначению на принципиальной схеме, представленной на рис. 1.3.

На схеме показано, что диод D4 исключен из цепи, в которой он установлен. Это сделать необходимо, иначе во время проверки в отсутствие вторичных напряжений будет происходить срабатывание защиты и возникнет блокировка выходных каскадов микросхемы TL494. Остальные элементы преобразователя не окажут влияния на ход проверки.

Внимание, важно!

Отключение системы защиты необходимо произвести при работе с любым преобразователем. Предварительно следует определить тип схемы защиты, элементы, входящие в ее состав, чтобы при отключении не внести изменений в работу каскада ШИМ-преобразователя.

Напряжение питания, подаваемое от внешнего стабилизированного источника 1, должно составлять +22…+25 В.

Уровень напряжения на источнике 2 должен быть равен +5 В.

Оба внешних источника питания должны включаться одновременно. После включения источника 1 напряжение будет подано на микросхему IC1 и промежуточный усилитель на транзисторах Q3 и Q4. После подачи питания микросхема IC1 перейдет в режим автоматической генерации импульсных последовательностей на своих выходах IC 1/8 и IC 1/11.

Измерение параметров сигналов и контроль режимов работы элементов следует проводить относительно общего провода вторичной цепи (отрицательный полюс внешнего источника). Прохождение импульсных сигналов в данном режиме питания схемы преобразователя можно проверить через согласующий трансформатор ТЗ, также их можно найти в базовых цепях силовых транзисторов усилителя мощности.

Характеристики импульсов в базовой цепи транзистора Q5 измеряются относительно эмиттера Q5.

Точно так же все измерения в базовой цепи Q6 производятся относительно эмиттера Q6. Источник питания 2 имитирует работу выходных цепей вторичного канала +5 В. Изменением (в небольших пределах) напряжения этого источника проверяется функция слежения ШИМ-преобразователя за уровнем вторичного канала. При понижении уровня напряжения источника 2 положительные импульсы на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 должны расширяться. При повышении напряжения источника выше номинального значения длительность положительных импульсов сокращается.

1.3.2. Безопасная проверка функционирования силового каскада

Если при проверке функционирования каскадов ШИМ-преобразователя и промежуточного усилителя не обнаружено отклонений от нормального режима, можно подключать питающее напряжение к усилителю мощности. Для этого отрицательный полюс источника питания 1 следует соединить с эмиттерной цепью транзистора Q6, а положительный полюс этого же источника подключить к коллекторной цепи транзистора Q5. При этом все соединения, выполненные для проверки ШИМ-преобразователя, должны быть сохранены.

После одновременного включения обоих внешних стабилизированных источников питания должна запуститься микросхема IC1.

Если в каскаде усилителя мощности нет поврежденных элементов, то в точке соединения конденсаторов сетевого фильтра СЮ и СИ уровень напряжения будет равен половине напряжения источника 1.

На коллекторе транзистора Q6 должен наблюдаться трехуровневый импульсный сигнал, полный размах которого равен напряжению питания усилителя мощности. Измерения режимов работы усилителя мощности следует проводить относительно эмиттерной цепи транзистора Q6.

При использовании внешних низковольтных источников постоянного напряжения на вторичных обмотках силового трансформатора Т4 будут присутствовать импульсные колебания с пониженными уровнями, а именно: трехуровневые колебания с паузой, наблюдаемой при переходе сигнала через нулевой уровень.

На выходах выпрямителей появятся униполярные импульсы. По частоте их следования можно оценить правильность работы каждого из диодов выпрямителя. В указанном режиме подключения источников питания импульсы на выходе выпрямителя канала +5 В будут отсутствовать.

По окончании проверки необходимо отключить все источники питания от преобразователя, а также восстановить все соединения, нарушенные в процессе подготовки к проведению диагностики.

1.3.3. Завершающий этап проверки ИИП

Завершающий этап контроля параметров импульсного источника питания следует выполнять только после предварительного прогона отдельных узлов от дополнительных внешних источников постоянного напряжения. На последней стадии все каскады преобразователя проверяются при подключении к источнику переменного напряжения номинального уровня, поэтому все неисправности должны быть устранены в процессе предварительной проверки.

Проведение проверки работоспособности всех функциональных узлов и проведение измерений с применением осциллографа следует выполнять при подключении тестируемого изделия к первичной сети через развязывающий трансформатор (ЛАТР).

Схема, демонстрирующая такое подключение, приведена на рис. 1.17.

Трансформатор VT первичной обмоткой соединен с первичной сетью 220 В. К вторичной обмотке подключен тестируемый импульсный источник питания.

Рис. 1.17. Схема подключения ИИП для проверки через «развязывающий» трансформатор

Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно укладываться в допуск на входное напряжение ИИП. При соблюдении этого условия вторичные напряжения будут иметь номинальные уровни напряжений, все пороговые устройства системы защиты будут корректно работать.

Измерения с помощью осциллографа можно производить относительно любой точки схемы.

Внимание, важно!

Несмотря на наличие развязывающего трансформатора, все работы следует выполнять, соблюдая общепринятые меры предосторожности.

Будьте предельно внимательны, так как действующие напряжения первичной цепи преобразователя имеют уровни, превышающие 310 В. Когда источник находится под напряжением питания, категорически запрещается трогать руками элементы первичной сети.

Кроме того, проведение ремонтных работ любого электронного устройства в большинстве случаев имеет комплексный характер. Поиск неисправности, ее локализация и устранение проводятся с помощью контрольно-диагностических измерительных приборов.

После любого вида ремонтно-восстановительных работ необходимо проводить тщательную предварительную проверку функционирования узлов блока питания по методике, приведенной в предыдущем разделе.

В некоторых случаях постепенная проверка каскадов позволяет обнаружить дефекты, не выявленные ранее, и проконтролировать правильность проведенных замен элементов. Все операции по измерению электрических режимов работы элементов силового каскада следует проводить согласно рис. 1.17 при подключении источника питания к сети через трансформатор развязки.

При проведении диагностики основных полупроводниковых приборов необходимо проверять и пассивные элементы, задающие электрические режимы функционирования активных компонентов.

Нередко дефект, вызванный отказом именно пассивных элементов, является причиной потери работоспособности узла на активных приборах. Перед принятием окончательного решения по поводу замены того или иного элемента убедитесь в нормальном состоянии печатных проводников платы и пассивных элементов (проведя их визуальный внешний осмотр).

В качестве рекомендаций по проведению ремонтных работ особо отмечаю необходимость всестороннего анализа причин, которые могли привести к появлению дефекта или отказу работоспособности.

При выявлении причины нужно восстановить логику действий, вызвавших тот или иной отказ, на основании которых легче спрогнозировать возможные неисправности элементов и локализовать их. Если возникает необходимость замены элементов, ее следует проводить с использованием оригинальных компонентов или самых близких функциональных аналогов.

При этом подборе элементов в первую очередь учитываются параметры, наиболее критичные для функционирования в конкретных условиях.

К ним относятся тепловые режимы, максимальные величины тока или напряжения используемого прибора.

Локализовать неисправный узел можно по внешним признакам проявления дефекта и, соответственно, наметить план действий по выявлению возникшей неисправности.

Далее разберем несколько возможных (часто встречающихся) неисправностей ИИП.

1.3.4. Анализ и способы локализации часто встречающихся неисправностей ИИП

При включении блока питания сгорает предохранитель

Возможная причина: в каскаде усилителя мощности неисправны силовые транзисторы.

Алгоритм поиска неисправности:

1. При отключенном электропитании импульсного преобразователя тестером провести проверку целостности внутренней структуры силовых транзисторов Q5 и Q6. Дополнительно проверить отсутствие электрического контакта корпусов этих транзисторов с радиатором. Во время проверки транзисторов следует учитывать, что во внутренней структуре мощных полупроводниковых приборов могут быть включены дополнительные диоды между эмиттером и коллектором или между эмиттером и базой (что оказывает влияние на замер сопротивлений между переходами).

2. Если требуется замена транзисторов, то аналоги должны соответствовать оригинальным приборам по рабочим уровням напряжений, тока, а также по частотным характеристикам. Выход из строя силовых транзисторов может повлечь за собой отказ пассивных элементов, установленных в базовых цепях транзисторов Q5 и Q6. Перед проведением контрольных прогонов при подключенном напряжении питания эти элементы также должны быть предварительно проверены.

Возможная причина: выход из строя элементов, обеспечивающих режим «медленного» запуска источника питания.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Убедиться в целостности печатных проводников, соединяющих элементы R16 и С6 с соответствующими выводами микросхемы IC1.

2. Обязательно проконтролировать соответствие обозначенных на элементах номиналов реальным параметрам, а также отсутствие повреждений на них.

3. Влияние указанных элементов на неисправность можно объяснить следующими обстоятельствами. При подключении источника питания к сети конденсаторы вторичных каналов разряжены и находятся в состоянии «КЗ». На начальном этапе запуска схемы преобразователя включается узел принудительного ограничения длительности импульсов управления. Работа узла основана на постепенном заряде конденсатора С6, включенного в дифференцирующую цепь последовательно с резистором R16. Принцип работы узла «медленного» запуска описан выше.

4. Если произошло нарушение соединения конденсатора С6 и резистора R16, то в начальный момент включения источника на выводе IC 1/4 спадающий положительный импульс появляться не будет. При отсутствии этого напряжения на IC 1/4 компаратор «мертвой зоны» DA1 не будет оказывать влияния на параметры последовательности импульсов. Длительность импульсов возбуждения усилителя мощности будет максимальна, так как источник питания работает практически на короткозамкнутую нагрузку.

Возможная причина: переключатель S1 установлен неправильно, вследствие чего уровень входного напряжения не соответствует номиналу.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Если селектор входного напряжения S1 установлен в положение, соответствующее 115 В, то выпрямитель и сетевой фильтр сконфигурированы для работы по схеме удвоителя напряжения. Включение такого источника в сеть 220 В приведет к повышению постоянного напряжения на усилителе мощности до уровня, превышающего 600 В, и повреждению оксидных конденсаторов СЮ и СИ, транзисторов Q5 и Q6 и элементов в базовых цепях силовых транзисторов.

2. После замены неисправных элементов перед включением источника в реальную сеть питания проведите полный комплекс проверок функционирования усилителя мощности — в соответствии с методикой, изложенной выше.

После подачи питания запуска ИИП не происходит

Возможная причина: неисправность в цепи фильтрации импульса начального питания.

Алгоритм поиска неисправности:

1. В схеме с самовозбуждением узел начального питания ШИМ-преобразователя IC1 подключается к выходу выпрямителя канала + 12 В. В схеме на рис. 1.3 это диод D18 и RC-фильтр на С17, С18 и R31. Если есть повреждение в цепи, связывающей указанные элементы, то начальный импульс не дойдет до микросхемы IC1. Если же существуют повреждения конденсаторов в цепи фильтрации, то импульс, действующий на IC 1/12, будет очень коротким, и внутренняя логика микросхемы не успеет выработать импульсы возбуждения усилителя мощности.

2. Для проверки работы цепи подачи первичного питания на микросхему IC1 при подключении источника питания к сети переменного тока проконтролируйте появление положительного импульса на конденсаторе С18, его сглаживание на С17 и подачу этого напряжения на вывод IC 1/12. Контроль появления импульса начального питания, его преобразование в цепи выпрямления и фильтрации и прохождение положительного напряжения на IC 1/12 проводить относительно общего провода вторичной цепи.

Возможная причина: отказ элементов каскада задержки включения защиты на транзисторе Q2.

Алгоритм поиска неисправности:

1. В начальный момент включения источника питания вследствие появления импульса положительной полярности на базе Q2 транзистор открывается и шунтирует каскад датчиков перегрузки вторичных цепей на Q1. Если импульс не появляется или неисправен транзистор Q2, шунтирование не происходит. В отсутствие вторичных напряжений транзистор Q1 закрыт и на его коллекторе устанавливается напряжение, равное по уровню опорному, выработанному на IC 1 /14. Высокий уровень напряжения через диод D4 поступит на IC 1/4 и вызовет блокировку ШИМ-преобразователя.

2. Контроль срабатывания каскада на транзисторе Q2 необходимо проводить при подключении источника питания к сетевому питающему напряжению. Измерения осуществлять относительно общего провода вторичной цепи питания. При нормальной работе каскада на Q2 после появления импульса начального питания на IC 1/12 через конденсатор С5 проходит положительный импульс, уровень которого делится на резисторах R4 и R5. Напряжение, пропорциональное соотношению этих сопротивлений, поступает на базу Q2 и открывает его. Транзистор переходит в состояние насыщения. По мере перезаряда конденсатора С5 напряжение на базе Q2 снижается, и синхронно с ним закрывается транзистор Q2. Для выявления неисправного элемента необходимо проверить логику срабатывания элементов в каскаде на транзисторе.

3. Если обнаружено, что в базовой цепи Q2 присутствуют отказавшие пассивные компоненты, замените их на элементы, аналогичные по параметрам, так как их номиналы задают временные характеристики начального шунтирования цепи защиты. В случае отказа транзистора Q2 его можно заме нить я-^-тг-транзистором малой мощности, к примеру КТ3102, в пластиковом корпусе с любым буквенным индексом.

Возможная причина: после включения происходит блокировка ШИМ-преобразователя.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Блокировка ШИМ-преобразователя может возникать из-за сигналов, поступающих на входы IC 1/15 и IC 1/4. Ложное срабатывание защиты по входу IC 1 /15 может возникнуть, если нарушены связи между резисторами R13-R15. Если из трех резисторов с IC 1 /15 соединен только один R14, то на этом выводе будет отрицательное напряжение, поступающее от датчика длительности импульсов управления на трансформаторе ТЗ. Напряжение на IC 1/15 будет ниже уровня общего провода, к которому подключен вывод IC 1/16. При таком соотношении напряжений на указанных входах произойдет блокировка импульсных последовательностей на выходах IC 1.

2. Для проверки данного узла следует при выключенном источнике питания проверить все соединения элементов, подключенных к IC 1/15, на соответствие принципиальной схеме. Если обнаружены повреждения печатных проводников, их следует восстановить. В случае повреждения элементов их необходимо заменить.

Возможная причина: происходит ложное срабатывание защиты из-за нарушения электрических связей между элементами в эмиттерной цепи Q1.

Алгоритм поиска неисправности:

1. При нормальном режиме работы источника питания транзистор Q1 находится в проводящем состоянии. Уровень напряжения на его коллекторе близок к потенциалу общего провода. Если транзистор Q1 неисправен или нарушены связи между элементами, подключенными к его эмиттеру, напряжение на коллекторе имеет положительный уровень. Через диод D4 оно подается на вывод IC 1/4 и приводит к блокировке ШИМ-преобразователя. После подачи питания отключение преобразователя в случае неисправности элементов каскада на Q1 происходит довольно быстро, поэтому обычными измерительными приборами зафиксировать момент появления положительного напряжения на аноде D4 достаточно сложно.

2. Чтобы убедиться в исправности этого каскада, нужно при выключенном питании проверить правильность соединений элементов, подключенных к эмиттеру Q1. Проверить сам транзистор Q1. Если обнаружен неисправный элемент, его заменяют на аналогичный по параметрам. Так транзистор Q1 можно заменить на отечественный аналог КТ3107 с любым буквенным индексом.

Возможная причина: отказ микросхемы ШИМ-преобразователя или элементов промежуточного усилителя.

Алгоритм поиска неисправности:

1. При отсутствии воздействий по входам IC 1/4 и IC 1/15, приводящим к блокировке ШИМ-преобразователя, микросхема IC1 функционирует сразу после подачи питания на ее вывод 12. Проверку исправности микросхемы IC1 следует проводить, предварительно отключив все элементы, воздействующие на входы блокировки работы ШИМ-преобразователя. Все нагрузки каналов вторичных напряжений должны быть отсоединены. Для отключения элементов защиты по выводу IC 1/4 нужно отпаять один из выводов диода D4. При этом останутся включенными элементы, обеспечивающие процесс «медленного» запуска. Отпаяйте также один из выводов резистора R14, при этом будет отключен датчик контроля длительности импульсов возбуждения силового каскада.

2. Включите источник питания. Проверьте генерацию импульса начального питания по появлению положительного напряжения на выводе IC 1/14. На выводе IC 1/12 должно появиться напряжение +5 В. Появление пилообразного напряжения на выводе IC 1/5 свидетельствует о нормальном запуске внутреннего генератора.

3. Если все предыдущие проверки дали положительный результат, проконтролируйте появление импульсов на выводах IC 1/11 и IC 1/8. Кратковременное появление импульсов на выходах микросхемы может служить признаком нормального ее запуска, но затем она может отключаться вследствие появления сигнала блокировки.

4. Если такой эффект наблюдается, проверьте работоспособность всех элементов, подключенных к выводам IC 1/1,2,4,15. Полное отсутствие переменных сигналов на сигнальных выводах и напряжения +5 В на IC 1 /14 указывает на отказ микросхемы и необходимость ее замены.

5. После проведения необходимых замен элементов все соединения восстановите.

6. Окончательное тестирование отремонтированного источника питания должно проводиться при полной комплектации с подключением всех узлов защиты.

Возможная причина: выход из строя резисторов смещения в базовых цепях силовых транзисторов.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Если в результате проверок предыдущих пунктов обнаружено отсутствие импульса начального питания микросхемы IC1, необходимо проверить исправность элементов в базовых цепях силовых транзисторов. Отсутствие положительного смещения в базовых цепях Q5 и Q6 приведет к нарушению условий генерации начального импульса питания и к невозможности запуска.

2. Проверку проводить при отключенном напряжении питания.

Возможная причина: выход из строя резисторов в делителе на R7 и R8.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Если неисправен резистор R7, то вывод IC 1/1 постоянно подключен к общему проводу через R8. На входах усилителя ошибки DA3 (схема на рис. 1.5) постоянно будет присутствовать сигнал рассогласования, заставляющий ШИМ-преобразователь увеличивать длительность импульсов управления силовыми транзисторами. В результате напряжения во вторичных каналах будут чрезмерно возрастать, и включится защита по каналу +12 В. Либо от датчика на трансформаторе ТЗ на микросхему IC1 поступит сигнал, свидетельствующий о слишком большой длительности импульсов управления, что также вызовет блокировку ШИМ-преобразователя.

2. Отказ резистора R8 приведет к тому, что во вторичных каналах уровни напряжений не будут повышаться до номинальных значений. Сопротивления резисторов в плечах делителей на R7, R8 и R9, RIO должны быть примерно одинаковы. Проверьте правильность соединений этих резисторов и их номиналы.

3. Неисправные резисторы несложно выявить на плате даже визуальным осмотром.

1.3.5. Особенные неисправности ИИП

В этом разделе рассмотрим сложные неисправности источников питания ПК, связанные с выходом из строя внутренних узлов.

Короткое замыкание в канале с отрицательным напряжением не вызывает блокировки источника

Возможная причина: нарушение электрических связей в канале защиты от перегрузки на Q1.

Алгоритм поиска неисправности:

1. Такой эффект может возникнуть при КЗ в канале -5 В, если неисправен диод D2 или он не подсоединен к выходу этого канала. Проверьте исправность диода и корректность его подключения в электрической цепи.

Вторичные напряжения в норме, но с данным блоком питания компьютер не включается

Возможная причина: нарушение работы узла формирования сигнала «питание в норме».

Алгоритм поиска неисправности:

1. Каскад на транзисторе Q7 вырабатывает сигнал высокого логического уровня с задержкой относительно времени установления вторичных напряжений. При включении источника питания и появлении вторичного напряжения +5 В на базе Q7 возникает положительный импульс, открывающий транзистор. На его коллекторе устанавливается напряжение, близкое к потенциалу общего провода. Постепенно положительный заряд на отрицательной обкладке конденсатора С22 спадает, и транзистор Q7 закрывается. На коллекторе появляется напряжение, уровень которого равен значению, установившемуся во вторичном канале +5 В. В отсутствие этого сигнала не произойдет инициализации логики компьютерной системы.

2. Для того чтобы идентифицировать неисправность в каскаде формирования сигнала «питание в норме», при включении источника проследите срабатывание элементов, подключенных к транзистору Q7, и самого транзистора. Отказавший элемент замените.

В одном из вторичных каналов напряжение не достигает номинального уровня

Возможная причина: отказ одного из диодов выпрямителя или отсутствие у него электрической связи со вторичной обмоткой

Алгоритм поиска неисправности:

1. Если произошел отказ выпрямительного диода, то в контролируемый канал будет поступать энергии в два раза меньше номинального уровня.

2. Проверьте электрические соединения выпрямительных диодов и их исправность. В случае отказа замените на аналогичные по параметрам.

Глава 2

Современные возможности конструирования и схемотехники ИИП

Каждое электронное устройство оснащено источником электропитания. Специфика исполнения источника и его технические параметры определяются общесистемными требованиями к устройству в целом и условиями его эксплуатации. В общем случае источники вторичного электропитания — это преобразователи первичной энергии в энергию, пригодную для работы данного устройства, наделенного определенными пользовательскими функциями. Дополнительной, необходимой функцией источника электропитания является обеспечение гальванической развязки между источником первичного напряжения и нагрузочными цепями.

На рис. 2.1 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме.

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен, по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла.

Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ-преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ-помехи).

Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ-колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого ИП, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема источника питания

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей — в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения.

Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ-преобразователя.

Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ-трансформатор. Здесь ВЧ-преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ-усилитель мощности, ВЧ-трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 2.2, одновременно осуществляет две функции — преобразование и стабилизацию напряжения.

Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления — это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке.

По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ-передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

На схеме, показанной на рис. 2.2, представлена структура одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков. В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе.

Подстройка напряжения по неосновным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации БП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Прежде чем перейти к обсуждению практических схем источников питания, рассмотрим несколько возможных вариантов построения отдельных функциональных узлов импульсных источников питания. Это позволит лучше понять, почему при проектировании реальных схем предпочтение отдается тому или иному схемотехническому решению.

2.1. Автогенераторные каскады ВЧ-преобразователей

Как видно из рисунков структурных схем ИБП (см. рис. 2.1 и 2.2), основным узлом, обязательно входящим в состав каждого подобного источника питания, является ВЧ-преобразователь. Его назначение состоит в формировании на обмотке трансформатора из выпрямленного напряжения первичной сети импульсного напряжения требуемой формы.

Вид получаемого импульсного напряжения определяется типом используемого трансформатора, с помощью которого происходит передача энергии в нагрузку и обеспечивается гальваническая развязка от источника первичного напряжения.

Группа элементов формирователя напряжения специальной формы вместе с трансформатором и составляют ВЧ-преобразователь.

Его параметры и надежность работы являются определяющим фактором функционирования источника при подаче напряжения питания «U» на элементы схемы.

Пример силового каскада, выполненного по автогенераторной схеме, представлен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Электрическая схема силового каскада

Каскад выполнен на транзисторе по схеме релаксационного импульсного генератора. Схема содержит один трансформатор TV, на котором размещены все обмотки. Входное напряжение питания U поступает на коллектор транзистора VT через первичную обмотку W1 трансформатора TV. Сигнал обратной связи подается на базу транзистора VT с обмотки W3. Начало каждой обмотки обозначено точкой. Ко вторичной обмотке W2 последовательно подключены выпрямительный диод VD, конденсатор С и условная нагрузка RH.

Важной особенностью выполнения однотактных преобразователей является способ подключения выпрямительного диода во вторичной цепи. Способ подключения диода, согласно рис. 2.3, называется обратным, так как диод VD открывается при закрытом транзисторе VT и закрывается при открывании транзистора VT.

Работа всех ИБП основана на том же принципе преобразования энергии, а схемотехнические решения различаются способами подключения ВЧ-трансформаторов к активной части преобразователей и методами стабилизации выходного напряжения.

В книге рассмотрены преобразователи напряжения первичной сети 220 В, 50 Гц с номинальной мощностью до 1100 Вт, поэтому особое внимание при описании ВЧ-преобразователей уделено применению высоковольтных активных компонентов — транзисторов и диодов, — элементов для фильтрации выпрямленного напряжения, а также критериям их подбора для использования в импульсных источниках питания.

В современных ИБП применяются два основных типа ВЧ-преобразователей — одно— и двухтактные.

Оба типа используются как в схемах с автогенератором на силовых элементах (транзисторах), так и в схемах с внешним управлением. Во втором случае силовые активные элементы работают в режиме усилителей мощности.

Другим фактором, оказывающим большое влияние на работу преобразователя, являются инерционные свойства диодов, установленных в выпрямителе вторичной цепи. О вторичных цепях и их схемотехнике применительно к ИИП мы говорили в нескольких разделах первой главы.

Эти свойства характеризуются временем рассасывания избыточных носителей заряда и временем восстановления обратного сопротивления. У диодов, используемых в выпрямителях импульсных преобразователей, значения этих параметров должны иметь минимальную величину (порядка нескольких наносекунд).

Такими параметрами могут обладать высокочастотные или импульсные безынерционные диоды. В рабочем режиме диоды выпрямителя находятся в открытом состоянии попеременно. В момент переключения оба диода на некоторое время * ПРОПУСК текста*.

Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра обратно пропорциональна длительности фронта импульса t.

Следовательно, уменьшая эту величину при заданном уровне пульсаций, получим возможность применять конденсаторы меньшей емкости, снизить массу и габариты источника питания.

Одним из способов повышения эффективности этого параметра является применение в схеме автогенератора с насыщающимся трансформатором единого базового резистора Rfc.

Вариант схемы автогенератора с таким резистором представлен на рис. 2.4.

2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП

Основные положения по структуре каскадов, схемам включения силовых активных и индуктивных элементов справедливы и для частных случаев их использования в качестве усилителей мощности, то есть основных узлов для преобразователей напряжения с внешним управлением.

Рис. 2.4. Вариант схемы автогенератора

В заключение рассмотрим схему полумостового усилителя, широко применяющегося в импульсных источниках питания мощностью до 800 Вт.

Упрощенная схема полумостового усилителя мощности представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Упрощенная схема полумостового усилителя мощности

На рис. 2.6 представлены два силовых транзистора VT1 иУТ2 и два конденсатора С1 и С2, образующих мостовую схему. Собственно, такую схему принято называть транзисторной.

В диагональ моста, между точкой соединения конденсаторов С1, С 2 и точкой соединения эмиттера VT1 и коллектора VT2, подключается первичная обмотка трансформатора TV. Действие схемы основано на поочередном открывании транзисторов VT1 и VT2, которые работают в ключевом режиме. Вывод первичной обмотки трансформатора TV, соединенный с транзисторами, попеременно подключается то к положительному полюсу первичного источника питания (VT1 открыт, VT2 закрыт), то к отрицательному полюсу (VT2 открыт, VT1 закрыт). В первом случае ток протекает через транзистор VT1 — обмотку трансформатора TV — конденсатор С2.

Во втором случае — через конденсатор С1 — обмотку трансформатора TV — транзистор VT2.

Таким образом, в каждом цикле работы преобразователя через первичную обмотку трансформатора TV протекает ток — как в прямом, так и обратном направлениях.

При одинаковых временных интервалах открывания каждого из транзисторов и равенстве емкостей конденсаторов С1 и С2 в точке их соединения устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Переменное напряжение на первичной обмотке TV представляет собой импульсы прямоугольной формы.

Таким образом, амплитудное значение импульсного тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT2, сопоставимо с аналогичным параметром для однотактного преобразователя.

Последовательность открывания транзисторов устанавливается внешней схемой управления, примером которой служит ШИМ-регулятор.

Электрическая схема, показанная на рис. 2.5, предполагает питание постоянным или выпрямленным и отфильтрованным напряжением.

В качестве конденсаторов для С1 и С2 необходимо применять лакопленочные или бумажные конденсаторы, рассчитанные на применение в диапазоне частот работы высокочастотного преобразователя, при значительном напряжении пульсаций на них.

Симметрирование работы силовых транзисторов благоприятно отражается на их тепловом режиме. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер каждого из транзисторов в схеме полумостового усилителя равно напряжению питания.

Представленная в настоящем разделе схема имеет ряд неоспоримых достоинств.

Основным считается способ включения трансформатора TV в силовую цепь, при котором исключается насыщение его сердечника вследствие разбросов по длительности и амплитуде воздействующих на него импульсов разной полярности.

Используя схему внешнего управления, можно исключить протекание сквозных токов через транзисторы. Активные элементы, применяемые в полумостовом усилителе, могут иметь низкие предельные параметры.

2.3. Схемотехника ИИП с несколькими выходными напряжениями для разной токовой нагрузки

Современные источники питания, применяемые в широком спектре пользовательских задач, имеют функцию дистанционного включения, независимый канал питания элементов дежурного режима с номиналом +5 В. Однако многофункциональные ИИП, к которым можно отнести блоки питания персональных компьютеров различного форм-фактора и назначения, имеют и несколько дополнительных каналов, обеспечивающих выходные напряжения положительной и даже отрицательной полярности.

Номинальные значения каналов вторичных напряжений и их основные параметры приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Основные параметры вторичных каналов ИИП

Измерения вторичных напряжений необходимо проводить на контактах разъемных соединителей, предназначенных для подключения к устройствам.

Так, канал +3,3 В должен иметь запас по напряжению в 100 мВ для компенсации падения на соединительных проводниках и проводниках печатной платы. Кроме того:

• суммарная мощность по каналам +5 В и +3,3 В не должна превышать 225 Вт;

• токовая нагрузка по каналу +5 В должна превышать или быть эквивалентной нагрузке канала +3,3 В;

• разница времени нарастания напряжения канала +5 В до минимального значения диапазона регулирования и соответствующего значения по каналу +3,3 В не должна быть более 20 мс;

• источник должен быть снабжен встроенной защитой цепей преобразователя от короткого замыкания по каналам +5 В и + 12 В;

• общий провод питания вторичных каналов напряжения должен иметь соединение с металлическим корпусом источника питания;

• преобразователь должен сохранять значения выходных напряжений в течение 17 мс после отключения первичного питающего напряжения;

• пульсации определяются как случайные или периодические отклонения от номинального значения напряжения с частотами в диапазоне от 10 Гц до 20 МГц. Для измерений должна использоваться емкостная нагрузка из комбинации керамического конденсатора емкостью 0,1 мкФ и электролитического конденсатора емкостью 10 мкФ.

Требования к условиям эксплуатации следующие:

• температура полупроводниковых элементов в источнике питания не должна превышать +110 °C при температуре окружающей среды +50 °C;

• корпус конденсаторов не должен нагреваться более 95 % от максимального значения, приведенного в паспорте;

• используемые резисторы должны иметь запас по мощности не менее 30 % от паспортного значения;

• изменение параметров элементов по максимально допустимым значениям напряжения и тока не должно быть более 10 % при температуре +50 °C.

При любом повреждении цепи первичного преобразователя никакие части источника не должны воспламеняться, создавать задымление, вызывать различного рода шум, печатная плата не должна обугливаться и иметь оплавленные проводники.

Большинство производителей ИИП придерживается определенных стандартов, унификации.

К примеру, в ИИП для ПК нового поколения 20-контактный разъем предназначен для подключения к системной плате персонального компьютера.

Тип такого разъемного соединителя — MOLEX 39 01 2200 или аналогичный. Разводка разъема стандартизована.

В табл. 2.2 приведена разводка вторичных напряжений и служебных сигналов по контактам этого разъема.

Таблица 2.2. Разводка системного разъема питания современного системного блока компьютера

С помощью 4-контактных разъемов большего размера подключаются периферийные устройства и вентилятор процессора. Тип этих разъемов обязательно должен быть аналогичным АМР 1 480424 0 либо MOLEX 8981 04Р.

Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах разъемов следующие:

1 — желтый, +12 В;

2, 3 — черные, общий;

4 — красный, +5 В.

Самые маленькие ответные части разъемов типа АМР 171822 4 предназначены для соединения с другими устройствами и блоками. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для них следующие:

1 — красный, +5 В;

2, 3 — черный, общий;

4 — желтый, +12 В.

К примеру, для ИИП с выходной мощностью более 500 Вт применяется дополнительный разъем типа MOLEX 90331 0010. Цвет подводящих проводов и значение напряжений на контактах для него:

1, 2, 3 — черные, общий;

4, 5 — коричневый или оранжевый, +3,3 В;

6 — красный, +5 В.

На корпусе источника питания наклеена этикетка, на которой приведена цветовая маркировка проводников вторичного питания.

К выходу сетевого фильтра подключается выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме. В его состав входит селектор входного питающего напряжения — переключатель, установленный в корпусе источника питания. Позиции переключателя обозначены на его движке.

Положение переключателя определяется по маркировке, которая видна через специальное окошко. С его помощью осуществляется выбор номинала напряжения питающей сети 115 или 220 В.

Нагрузкой выпрямителя являются полумостовой усилитель мощности основного высокочастотного преобразователя напряжения первичной сети и маломощная схема автогенераторного вспомогательного источника.

Во вторичную цепь AB И включена схема линейного параметрического стабилизатора для формирования напряжения +5 В, обеспечивающая питание элементов компьютера в течение дежурного режима.

Для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности подключен импульсный трансформатор Т3. Позиционное обозначение трансформатора соответствует принципиальной схеме источника питания. Импульсные напряжения со вторичных обмоток трансформатора поступают на блок выпрямителей.

В схемах выпрямителей вторичных напряжений используются диоды различных модификаций, что определяется номинальной токовой нагрузкой каждого отдельного канала.

Во вторичном канале напряжения +3,3 В введен дополнительный и достаточно эффективный стабилизатор.

Регулировка вторичных напряжений реализуется с помощью схемы обратной связи, электронный узел которой, в свою очередь, подключен к выходам блока фильтров.

Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения.

После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем ШИМ-каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении.

В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Воздействие на ШИМ-регулятор оказывается не только при изменении вторичных напряжений в пределах диапазона регулирования, соответствующего нормальной работе, но и в случае возникновения экстренной ситуации (неконтролируемого увеличения или снижения напряжений на нагрузке).

Ключевая СИП воздействует на ШИМ-модулятор, блокируя его работу в случае возникновения аномальных процессов в цепи нагрузки.

К схемотехнике компьютерных блоков питания мы еще вернемся позже, когда будем рассматривать частные варианты защиты ИИП.

В этом случае схема подключения питающего напряжения выглядит так, как показано на рис. 2.7. Переключатель S1 на этом рисунке показан в замкнутом положении.

Согласно схеме, приведенной на рисунке, в активной выпрямительной схеме реально работают только диоды D12 и D14. Диоды же

D11 и D13 не влияют на состояние схемы, так как они оказываются шунтированными замкнутым переключателем S1.

Такой вид выпрямителя известен как схема с удвоением входного напряжения. Выходное выпрямленное напряжение будет иметь значение 325 В.

Рис. 2.7. Схема подключения питающего напряжения

Условия работы основных каскадов по напряжению первичного питания сохранены и выполняются. Общая мощность потребления переменного тока источником питания от сети при изменении напряжения сохраняет свое значение.

Но при питании от напряжения 115 В ток потребления возрастает примерно в 2 раза (по сравнению с аналогичными условиями работы при питании источника от напряжения 220 В).

К установке переключателя селектора входного напряжения следует относиться осторожно. Если селектор напряжения будет установлен в положение 115 В и в таком состоянии источник питания будет подключен к питающей сети на 220 В, то сработает схема удвоения напряжения. Напряжение на положительной обкладке конденсатора С5 будет стремиться к значению 220 В х 1,41 х 2 = 620 В.

Уровни рабочих напряжений большинства элементов не рассчитаны на такой режим электропитания. Поэтому произойдет пробой силовых транзисторов усилителя мощности, диодов выпрямительного моста, сгорит предохранитель и могут выйти из строя конденсаторы сетевого фильтра С5 и С6, предельное напряжение которых обычно не превышает более 200 В; предохранитель не сможет защитить активные элементы схемы до их пробоя.

Менее критичным является включение источника питания в сеть 115 В с переключателем, установленным в положение 220 В. В этом случае значение входного напряжения будет ниже минимального значения, определенного в основных технических характеристиках в 180 В.

Условия работы схемы не будут выполнены, и преобразователь не запустится.

Плавкий предохранитель F1 перегорает, когда через пробитые транзисторы начинает протекать значительно увеличенный ток. Сгоревший предохранитель не позволит развиваться процессу повреждения источника питания.

Контроль уровня входного напряжения выполняется с помощью 2 варисторов Z1 и Z2 (на некоторых схемах и платах обозначены как ZU), установленных во входной цепи источника питания.

Внимание, важно!

Варисторы — нелинейные элементы, сопротивление которых зависит от приложенного к ним напряжения. Если напряжение на варисторе не превышает определенного значения, то его сопротивление остается высоким и практически не изменяется. В случае повышения напряжения его сопротивление резко снижается. Эта способность варисторов используется и для создания узла защиты от повышения входного питающего напряжения.

Наиболее распространенный тип варисторов, применяемых в источниках питания, — 07D241.

Первый варистор Z1 постоянно подключен параллельно входным клеммам источника питания. Он рассчитан на срабатывание при напряжении, превышающем значение 260 В, когда его сопротивление снижается настолько, что увеличенный ток выжигает предохранитель F1.

Варистор Z2 установлен между средней точкой конденсаторов С5 и С6 сетевого фильтра и корпусом источника питания. Этот элемент выполняет защитные функции при попадании потенциала на корпус прибора.

Напряжение на Z2 в нормальных рабочих условиях не превышает 170 В или, если быть точным, 155 В при первичном питании от 220 В и 162 В при питании от 115 В. Попадание фазного напряжения на корпус вызовет увеличение напряжения на Z2, его сопротивление уменьшится, и предохранитель F1 сгорит.

Принцип работы

Общий принцип функционирования источника питания заключается в следующем.

После подачи на вход источника переменного напряжения питания, выпрямления его диодным мостом на диодах D11-D14 и фильтрации на сглаживающем фильтре, образованном дросселем Т и конденсаторами С5, С6, постоянное напряжение с номинальным значением 310 В поступает на каскад усилителя мощности, основными активными элементами которого являются транзисторы Q9, Q10, и на каскад однотактного высокочастотного преобразователя; последний выполнен на транзисторе Q3.

Если выпрямленное питающее напряжение превышает 180 В х 1,41 = 254 В (уровень нижней границы питающего напряжения), происходит самовозбуждение преобразователя на Q3.

В состав каскада этого автогенератора входит трансформатор Тб, ко вторичной обмотке которого подключены выпрямители на диодах D8 и D9, с выхода которых снимается напряжение для питания ШИМ-формирователя и стабилизатора канала питания схемы компьютера в дежурном режиме (+5 VSB).

Один вывод вторичной обмотки трансформатора Тб подсоединен к общему проводу вторичного питания. Выпрямители ШИМ-канала и стабилизатора напряжения питания в дежурном режиме подключены к двум включенным последовательно полуобмоткам трансформатора Тб.

Выпрямитель ШИМ-формирователя образован диодом D9. Фильтрация напряжения с выхода выпрямителя осуществляется конденсатором С24. Выпрямитель и фильтр канала дежурного режима (+5 VSB) образован диодом D8 и конденсатором С14 соответственно.

При поступлении питания ШИМ-преобразователь запускается и начинает формировать импульсные сигналы для возбуждения усилителя мощности.

Усилитель мощности выполнен на транзисторах Q9 и Q10 по полумостовой схеме.

Для нормальной работы усилителя мощности необходимо, чтобы транзисторы открывались по очереди и в разные промежутки времени.

Включение транзисторов в полумостовой схеме требует, чтобы была исключена возможность их одновременного открывания и протекания сквозного тока, так как это выведет их из строя.

Обеспечение корректной работы транзисторов силового каскада выполняется логикой формирования управляющих последовательностей ШИМ-регулятора.

С вторичных обмоток трансформатора ТЗ импульсные напряжения поступают во вторичные цепи, где происходят их выпрямление и фильтрация. Полученные напряжения затем стабилизируются и используются для питания.

К каналам вторичных напряжений подключены датчики, выполняющие функции измерительных цепей по выявлению короткого замыкания в нагрузке, неконтролируемого повышения напряжений по каналам и контролю текущего уровня основных вторичных напряжений. Сигналы этих датчиков воздействуют на ШИМ-преобразователь, определяя род его работы в каждый момент времени.

Устройство всех основных узлов импульсного источника: автогенераторный вспомогательный источник на транзисторе Q3, ШИМ-регулятор и относящиеся к нему цепи, усилитель мощности, каналы вторичных напряжений, цепи защиты источника питания.

Набор этих узлов является типовым для блоков питания АТХ формфактора. Их построение у разных фирм-производителей может отличаться в деталях, но основные принципы остаются неизменными. Ниже приводится информация, которая может служить практической базой для изучения и работы с аналогичными ИИП.

Большой плюс ИИП в том, что он стабильно работает при изменении сетевого напряжения в широких пределах. От такого источника питания мощностью от 400 Вт и выше можно получить полезный ток нагрузки 15–17 А и выше, а в импульсном (кратковременном режиме повышенной нагрузки) — до 30 А. Такие ИИП выполнены на микросхемах 2003, AT2005Z, SG6105, КА3511, LPG-899, DR-B2002, IW1688; содержат меньшее количество дискретных элементов на плате, имеют меньшую стоимость, чем построенные на основе популярного ШИМ микросхемы TL494.

2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП

Одним из основных преимуществ ИИП является возможность преобразования первичной электрической энергии с более высоким КПД, по сравнению с обычными трансформаторными источниками питания. Чаще всего это достигается за счет стабилизации выходного напряжения воздействием на процесс функционирования силового усилительного каскада преобразователя напряжения. Только в многоканальных ИБП с различными нагрузочными возможностями каналов при необходимости применяются дополнительные линейные или импульсные стабилизаторы вторичного напряжения.

Для стабилизации величины выходного напряжения в ИИП, задействованных в системе преобразования от нетрадиционных источников питания, используются методы регулирования количества энергии, поступающей во вторичную цепь. Основными среди них являются: ШИМ (широтно-импульсная модуляция), ЧИМ (частотно-импульсная модуляция) и РСН (релейная стабилизация напряжения).

Эти методы отличаются способами воздействия на силовой (усилительный) каскад высокочастотного преобразователя, активные элементы которого работают в ключевом режиме. Как правило, система управления выполняется на маломощных компонентах, представляющих собой комбинацию аналоговых и цифровых элементов.

Согласно рис. 2.2, узел регулирования состоит из:

• измерительной цепи, определяющей отклонение напряжения нагрузки от номинального значения;

• схемы управления — формирователя конечной формы ВЧ-сиг-нала, непосредственно воздействующего на силовые элементы преобразователя. В состав этого узла включены элементы, которые согласуют уровни сигналов и нагрузочную способность каскадов;

• задающего генератора — маломощная схема формирования колебаний с базовыми характеристиками, которые подвергаются изменениям в схеме управления.

Принцип действия ШИМ-стабилизации заключается в изменении длительности импульсов, усиливаемых силовым каскадом, без коррекции собственно частоты колебаний и их амплитуды. Длительность импульсов, формируемых схемой управления, должна быть обратно пропорциональна величине напряжения на нагрузке.

В отличие от предыдущего способа, ШИМ-стабилизация характеризуется модификацией частоты управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов.

В релейной системе стабилизации цепи управления отслеживают изменения напряжения на нагрузке, и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки.

Способ ШИМ-стабилизации, несмотря на некоторые схемотехнические усложнения узла, по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике.

Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ-регуляторы имеют следующие преимущества:

• обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;

• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.

И в этом случае структурная схема ШИМ-регулятора и его подключение к каскадам ПН представлены на рис. 1.12.

Напряжение на нагрузке в общем случае может быть произвольным, и поэтому устройство сравнения подключается к ней через делитель напряжения.

Кроме того, предполагается, что напряжение на нагрузке находится в пределах, определяемых диапазоном регулировки, и во время работы в ней не возникает внештатной ситуации (короткое замыкание и т. п.).

Устройство сравнения вырабатывает сигнал рассогласования, знак которого определяется соотношением сравниваемых входных сигналов — опорного напряжения и напряжения с выхода делителя напряжения.

После необходимого усиления сигнал рассогласования U и сигнал специальной формы U, выдаваемый формирователем опорного сигнала, подаются на второе устройство сравнения и компаратор напряжения. Компаратор выполняет квантование входного сигнала рассогласования. После компаратора сигнал управления U приобретает форму импульсов с заданными частотой и длительностью.

Устройство согласования выполняет усиление импульсного сигнала управления до уровня и мощности, необходимой для возбуждения усилителя мощности. Временное положение выходных импульсов компаратора относительно сигнала специальной формы зависит от выбранного метода формирования последнего.

Формирователь сигналов специальной формы может генерировать три вида сигналов заданной частоты: треугольной формы, прямой пилы (положительное нарастание напряжения) и обратной пилы.

На устройстве сравнения 2 проводится сопоставление текущих значений усиленного сигнала рассогласования напряжений.

Фронт (начало) импульса появляется, когда результирующее напряжение сравнения U совпадает с некоторым значением напряжения А. Спад (окончание) импульса формируется при значении U, равном — А. Этот эффект называют гистерезисом. Параметры гистерезиса зависят от скорости изменения напряжения U, а инерционность срабатывания элементов определяется временем рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах. В случае генерации сигнала треугольной формы сформированная импульсная последовательность имеет некоторое отклонение от частоты исходного сигнала специальной формы.

По рис. 2.8 видно, что при совпадении величин этих сигналов происходит срабатывание компаратора.

Импульс положительного напряжения на его выходе появляется в момент превышения напряжением U импульсной последовательности как по длительности импульса, так и по частоте его следования.

Формирование импульсного напряжения на выходе компаратора происходит с некоторым запаздываем по времени и уровню, что отражает реальную картину управляющей последовательности с модуляцией положения фронта импульса. В данном случае производится генерация пилообразного сигнала с положительным нарастанием напряжения.

Рис. 2.8. Структурная схема стабилизатора напряжения

Пример оптронного стабилизатора для преобразователя напряжения

Схема оптронного стабилизатора сетевого напряжения представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Пример электрической схемы оптронного стабилизатора

Предлагаемая схема стабилизатора сетевого напряжения отличается от ранее описанных тем, что обратная связь по напряжению организована с помощью оптрона. За счет инерции осветительного прибора, входящего в оптрон ОЭП2, достигается некоторый гистерезис, обязательный в схемах с обратной связью. Без гистерезиса будет происходить релаксация схемы, которая будет выражена в мерцании лампочки HL1, которая является в данной схеме нагрузкой.

Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 2.9.

В момент включения сетевого напряжения синусоидальное напряжение, ограниченное резистором R4, поступает на диодный мост VD1. На нагрузке напряжение отсутствует, поэтому сопротивление оптрона велико, транзистор VT1 открывается за счет смещения поступающего с резистора R6. Ток, протекая через резистор R5 и открытый транзистор VT1, заряжает емкость С1. В тот момент, когда напряжение достигнет уровня пробоя аналога динистора, собранного на деталях VT2, VT3, R7, R8, конденсатор С1 разрядится на первичную обмотку импульсного трансформатора Т1. В результате импульс со вторичной обмотки откроет симистор VS1. Время скорости зарядки емкости, а значит, и время открывания симистора зависят от сопротивления R5 и сопротивления перехода эмитер-коллектор транзистора VT1.

При закрывании этот транзистор мы уменьшаем напряжение на нагрузке, что и происходит за счет уменьшения сопротивления резистора оптрона. Порог, на котором наступит баланс, регулируют резистором R2, находящимся за датчиком выходного напряжения.

Налаживание такого устройства заключается в установке максимального напряжения при помощи резистора R5 при отключенном проводе от потенциометра R2 и оптрона Ш.

Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце М2000НМ размером К20х12х6. Первичная обмотка состоит из 100 витков, а вторичная — из 60 витков провода ПЭВ1 диаметром 0,15 мм.

2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных источников электропитания

Высокоточные, надежные, бесшумные, с плавной регулировкой стабилизаторы напряжения серии Orion охватывают диапазон мощностей 2 кВА…450 кВА. Выпускаются модели как с регулировкой по среднефазному значению выходного напряжения (серия А), так и с независимой регулировкой по каждой фазе (серия Y). Эти модели широко используются в системах преобразования электроэнергии от альтернативных источников.

На рис. 2.10 представлен внешний вид такого стабилизатора.

Рис. 2.10. Стабилизатор мощностью 7 кВА

Модели серии А (с регулировкой по среднефазному напряжению) являются более простыми устройствами и используются исключительно для питания трехфазных нагрузок. В то же время модели серии Y (с независимой регулировкой по каждой фазе) рекомендуется применять для работы с сегментированными однофазными нагрузками (для которых требуется наличие нулевого провода) или с несбалансированными трехфазными нагрузками.

Существуют следующие модификации стабилизаторов напряжения, различающиеся допустимым диапазоном изменения входного напряжения: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, -25 %/+15 %, -35 %/±15 %, -45 %/±15 %.

При этом точность стабилизации выходного напряжения составляет ±1 %. Чем шире диапазон стабилизации, тем больше вес и габариты устройства, а также выше его стоимость.

Модели с независимой регулировкой представляют собой три независимых однофазных стабилизатора. Их конструкция и принцип действия полностью аналогичны однофазным моделям. Клеммные панели размещаются отдельно в нижней части корпуса, что проиллюстрировано на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Вид внутри корпуса стабилизатора

Стабилизаторы монтируются в металлическом корпусе, установленном на колесах для удобства перемещения.

Кроме систем преобразования электроэнергии от нетрадиционных (альтернативных) источников питания, рассматриваемые стабилизаторы применяются для защиты следующих объектов: загородные дома, коттеджи, промышленные предприятия, технологические линии, административные здания, гостиницы, отели, медицинские центры, серверные помещения и др.

Основными техническими особенностями этого класса электронных приборов являются плавность и высокая точность регулировки напряжения, быстродействие, малый уровень шума, пожаробезопасность.

Наличие встроенного цифрового мультиметра позволяет оперативно контролировать все основные параметры входного и выходного напряжений, а также нагрузки. Регулировка осуществляется с помощью подстроечных резисторов, установленных внутри корпуса стабилизаторов, согласно иллюстрации, представленной на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Вид на подстроечные резисторы реп/лировки режимов стабилизатора

2.5.1. Проверка устройства и подготовка к работе

Для предотвращения появления конденсата перед подключением стабилизатора следует выдержать время не менее 2 часов (такая мера оправдана, если транспортировка прибора проводилась при отрицательной температуре).

Установить стабилизатор напряжения на твердой горизонтальной поверхности в помещении, защищенном от строительной пыли, агрессивных газов и легковоспламеняющихся материалов.

Заземлить корпус стабилизатора.

Подключить в сеть 220 В соответствующую пару входных клемм на задней панели стабилизатора.

Установить автоматический выключатель в положение «включено» примерно на 10 секунд (вольтметр выходного напряжения должен показывать 220 В).

Установить автоматический выключатель в положение «выключено».

Подключить нагрузку к выходным клеммам, убедиться в надежности контактных соединений.

Установить автоматический выключатель в положение «включено», после этого загорится световой индикатор «нормальная работа».

2.5.2. Возможные неисправности

Возможные неисправности стабилизаторов напряжения, работающих в системе преобразования электроэнергии от нетрадиционных источников, приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Типичные неисправности стабилизаторов напряжения, работающих в системе преобразования электроэнергии от нетрадиционных источников

2.6. Соединение преобразователей и ИИП в параллельной электрической схеме

Особый разговор, заслуживающий внимания, об увеличении мощности уже имеющегося стабилизатора за счет параллельного подключения дополнительного стабилизатора.

Некоторые специалисты считают, что если купить стабилизатор, скажем, на 15кВт и если не будет хватать мощности или появятся еще потребители (новая техника), то еще один и включить параллельно (один в другой) — см. рис. 2.13.

Благодаря такому включению предполагается на выходе получить суммарную мощность двух и более стабилизаторов. Это не совсем правильно.

Рис. 2.13. Вид на два ИИП, включенных параллельно

Внимание, важно!

При последовательном соединении стабилизаторов мощность не будет суммироваться, на выходе получится мощность самого слабого стабилизатора в цепи. На конкретном примере: если мы подключаем параллельно стабилизаторы мощностью, к примеру, 5 кВт + 10 кВт +15 кВт, то на выходе мы получим 5 кВт по самому слабому стабилизатору в сети.

Необходимость в параллельном соединении источников питания (ИП) возникает обычно по одной из следующих причин:

1. резервирование ИП для увеличения надежности работы бытовой (в т. ч. радиоэлектронной) аппаратуры;

2. увеличение общей выходной мощности ИП.

Примеры для обоих случаев очевидны и известны из практики. Так, резервирование ИП применяют в военной технике, на конвейерных электролиниях, в железнодорожном и электротранспорте. В быту резервированием ИП можно назвать применение источников бесперебойного питания (ИБП) в устройствах охраны и сигнализации, а также в компьютерной технике. Увеличение выходной мощности путем параллельного подключения ИП оправдано для питания мощной нагрузки, например радиопередатчика (трансивера) с максимальным током потребления более 20 А.

В большинстве случаев параллельное соединение источников требует реализации функции распределения тока между ними.

Защита источников без распределения тока

Такая защита часто необходима, когда требуется избежать нежелательной поломки электронных устройств вследствие отказа ИП. С этой целью соединяют два ИП параллельным способом, представленным на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Способ параллельного соединения ИП

Допустим, ИП-2 настроен на более низкое выходное напряжение относительно ИП-1. Поэтому только первый источник питания PS1 поставляет ток в нагрузку, так как только его последовательный диод проводит ток.

Мощность на нагрузке создается только одним ИП, а не является удвоенной.

Напряжение нагрузки равно напряжению источника питания минус падение напряжения на диоде (Un — U VD1). ИП-2 при этом

находится в режиме ожидания под более низким напряжением и в случае прекращения работы ИП-1 вместо него поставляет ток в нагрузку.

При такой схеме соединения источников напряжение на нагрузке снижается при росте тока нагрузки (LOAD REGULATION), а падение напряжения на проводящем диоде растет по мере повышения тока («естественное распределение тока»).

Главным недостатком данной схемы является нестабильность напряжения на нагрузке.

При изменении тока нагрузки (LOAD REGULATION) падение напряжения на диоде колеблется от О В без нагрузки до 0,6 В под нагрузкой. Это падение напряжения уменьшает напряжение на нагрузке в зависимости от выходного тока. Поэтому эта конфигурация не используется при напряжениях ниже 12 В, когда падение напряжения на диоде составляет значительную долю от напряжения на выходе.

В этой схеме из-за отличия напряжений источников нет возможности применять корректирующие линии SENSE, так как ИП, настроенный на более низкое напряжение и находящийся в режиме ожидания, обнаружив в своих линиях SENSE повышенное по отношению к своей настройке напряжение, сразу прекратит процесс преобразования.

Защита источников с распределением тока

Для того чтобы при защите иметь стабильное напряжение на нагрузке, необходимо ввести «активное распределение тока» между ИП. При параллельном соединении источников добавляется специальная линия распределения тока, которая соединяет между собой соответствующие терминалы источников питания. Такое соединение выполняется по схеме на рис. 2.15.

В этой схеме линии SENSE обоих источников подсоединены к нагрузке и между источниками питания включена линия распределения тока (PC). Каждый из источников питания отдает нагрузке половину своей мощности.

Источники должны быть настроены по напряжению как можно ближе друг к другу, а сопротивления соединительных проводов от каждого из источников к нагрузке должны быть равны друг другу.

Эта конфигурация позволяет соединять в параллель более ИП (N + 1), когда дополнительно включается еще один резервный ИП, который в случае неисправности одного из источников начинает работать вместо отказавшего источника.

Рис. 2.15. Схема с линией распределения тока

Принцип работы устройства с активным распределением тока

ИП на выходе контролирует напряжение путем сравнения напряжения, измеряемого на линиях SENSE, с внутренним эталонным напряжением. Для того чтобы источник мог эффективно делить ток с другим источником, он должен непрерывно получать информацию о своём токе и о токе другого источника. Эту информацию источник обрабатывает и использует во время контроля и регулирования выходного напряжения. При этом, если ток источника слишком велик, его выходное напряжение начнет снижаться, и наоборот. Фактически поступает информация о разности токов двух источников, в случае положительной разности токов следует понизить напряжение источника, в случае отрицательной разности — повысить это напряжение. В это же время соседний источник питания получает информацию, обратную по знаку, и выполняет обратные действия. Так осуществляется балансировка токов источников.

При параллельном соединении более чем двух ИП число переменных, участвующих в процессе распределения тока между ними, велико (каждый источник нуждается в информации о своём токе и токе всех остальных).

Поскольку каждый из источников осуществляет контроль и регулирование выходного напряжения и тока на основании всех переменных, то появляется опасность, что такой сложный контур регулирования может потерять стабильность, поэтому количество источников, включаемых параллельно по такой схеме соединения, ограничено.

2.6.1. Особенности электрической цепи при параллельном соединении

Фактически каждый источник питания представляет источник напряжения, зависящий от его тока. Положительный терминал выходного напряжения соединен с точкой контроля выходного напряжения, а отрицательный терминал выходного напряжения — с отрицательным терминалом выходного напряжения соседнего источника питания.

Разность между V(I1) и V(I2) влияет на распределение напряжения между источниками так, что если она положительна, выходное напряжение первого источника должно падать, чтобы сохранять положение, когда точка контроля равняется эталонному напряжению.

Соединение для получения большей мощности

Для получения высокой мощности от двух ИП их соединение выполняется по схеме на рис. 2.16.

В этой схеме так же, как и в предыдущей, ИП соединяются между собой линией распределения тока. Без активного распределения тока параллельное соединение источников не будет нормально функционировать из-за очевидной разницы выходных напряжений ИП. Вследствие этой разницы ИП с более высоким выходным напряжением выдает на выходе максимально возможный для него ток. Подключение к мощной нагрузке приводит к тому, что в какой-то момент времени максимальный ток ИП оказывается недостаточен.

При ограничении тока напряжение источника начинает снижаться. Это заставит источник питания с более низким выходным напряжением поставлять необходимый остаток тока.

При введении активного распределения тока необходимо следить за тем, чтобы общая мощность ИП была таковой, чтобы ни от одного из источников не требовалось более 90 % от расчетного (для него) максимального тока.

Рис. 2.16. Электрическая схема соединения двух ИП в параллель

2.6.2. Технологическая схема подключения однофазного стабилизатора

Вариант первый: подключение однофазного стабилизатора после преобразователя в системе нетрадиционных источников питания.

Такое подключение чаще всего делается, когда требуется подключить весь дом (потребителя) к одному источнику питания.

От стабилизатора ведется разводка по потребителям. Важно подводить фазу к фазе, ноль к нулю.

Вариант второй: подключение однофазного стабилизатора с разъемным соединением по выходу.

Такое подключение делается, когда недостаточно мощности однофазного стабилизатора (стабилизаторы максимальной мощности 10 кВт), и требуется более мощный стабилизатор, при этом планируется использовать его на один или несколько потребителей.

На рис. 2.17 представлена блок-схема включения стабилизатора.

Рис. 2.17. Блок-схема включения стабилизатора

В стабилизатор на вход подводится провод, на другом конце которого установлена вилка, на выход ставится провод, на конце которого устанавливается розетка. В данном случае фаза с нулем роли не играют.

Длину провода устанавливайте нужной и удобной в каждом конкретном случае.

2.6.3. Схема подключения трехфазного стабилизатора

Электрическая схема подключения трехфазного стабилизатора напряжения представлена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Электрическая схема подключения трехфазного стабилизатора напряжения

2.6.4. Контрольно-измерительные приборы и защита от короткого замыкания

Стабилизаторы напряжения серии Orion оснащены цифровым мультиметром с селекторным переключателем фаз для измерения значений выходных фазовых (N-L) и линейных (L1-L2) напряжений. Старшие модели стабилизаторов (мощность свыше 75 кВА) имеют дополнительный амперметр. Для защиты от короткого замыкания и перегрузки по выходу силовые цепи устройств снабжены автоматическими размыкателями, а схемы управления защищены плавкими предохранителями.

На пульте управления стабилизаторов напряжения располагаются три светодиодных индикатора входного фазового напряжения, а также шесть индикаторов, указывающих, какое из возможных выходных напряжений показывает цифровой вольтметр в настоящее время. В случае перегрузки по выходу срабатывает аварийная звуковая сигнализация.

2.6.5. Модели с расширенным диапазоном стабилизации

Существуют следующие стандартные модификации стабилизаторов напряжения, различающиеся допустимым диапазоном изменения входного напряжения: ±15 %, ±20 %, ±25 %, ±30 %, -25 %/+15 %, 35 %/+15 %, -45 %/+15 %. Чем шире диапазон стабилизации, тем больше вес и габариты устройства, а также выше его стоимость.

В табл. 2.4 представлены некоторые популярные модели трехфазных электродинамических стабилизаторов Orion с разными диапазонами изменения выходного напряжения (допуска).

Таблица 2.4. Популярные модели стабилизаторов Orion с разными диапазонами изменения выходного напряжения (допуска)

В табл. 2.5 представлены трехфазные стабилизаторы напряжения с независимой регулировкой по каждой фазе.

Таблица 2.5. Трехфазные стабилизаторы напряжения с независимой регулировкой по каждой фазе

Для наглядного примера стабилизаторы напряжения серии

ORION и их технические характеристики представлены в табл. 2.6.

Таблица 2.6. Стабилизаторы напряжения серии ORION и их технические характеристики

В табл. 2.7 представлены мощные стабилизаторы напряжения серии ORION Y

Таблица 2.7. Технические характеристики мощных стабилизаторов напряжения серии ORION Y

2.7. Преобразователи напряжения для альтернативных источников питания

Устройства, специально выпускаемые для использования в быту, рассчитаны на питание от осветительной сети 220 В 50 Гц переменного тока или (адаптировано) бортовой сети автомобиля (12 В постоянного тока). Именно они являются маломощными потребителями системы энергоснабжения на базе альтернативных (нетрадиционных) источников питания.

Как же быть в ситуациях, когда требуется включить обычный бытовой прибор, требующий напряжения 220 В, если поблизости, кроме относительно мощного автомобильного аккумулятора, нет никаких источников электроэнергии?

Не возить же с собой повсюду бензоэлектрогенератор — громоздкий, тяжелый, который требует запаса топлива, да и время готовности у него, мягко говоря, не маленькое.

Выручат в этих случаях инверторы — преобразователи энергии, превращающие постоянное напряжение 12 В в переменное 220 В (частотой 50 Гц).

Главное условие для их работы — наличие автомобильного аккумулятора достаточно большой емкости (от 10 А/ч и выше). Инверторы с допустимой мощностью потребителей до 2 кВт подключаются с помощью соответствующего разъема к гнезду прикуривателя автомобиля, более мощные модели (свыше 200 Вт) — непосредственно к клеммам АКБ с помощью кабеля большого сечения с аккумуляторными зажимами на конце.

В ранних версиях (первых моделях) инверторах мощный генератор напряжения частотой 50 Гц работал на низкочастотный повышающий трансформатор.

Со вторичной обмотки трансформатора снималось выходное напряжение 220 В. В более поздних версиях (см. рис. 2.13) высокочастотный генератор (частота — от 20 до 100 кГц) работает на импульсный повышающий трансформатор. С выхода трансформатора напряжение выпрямляется, фильтруется и далее уже коммутируется мощными транзисторами с частотой 50 Гц.

Первый тип преобразователя напряжения имеет большие габариты и вес из-за массы низкочастотного трансформатора, но надежен, имеет хорошую перегрузочную способность и ремонтопригодность. Второй — значительно дешевле и легче.

Кроме того, инверторы различаются по форме генерируемого переменного напряжения. Многие из них выдают так называемую «модифицированную синусоиду», скорее напоминающую меандр (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Форма импульсов «модифицированной синусоиды»

Такие инверторы подойдут для питания большинства обычных бытовых приборов: утюгов, электрических плиток, электроинструмента и т. д. В качестве примера можно привести линейку преобразователей серии «Саг».

Их параметры приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8. Инверторы модельного ряда Саг

Но существуют приборы, требовательные к форме напряжения (телевизоры, аудиотехника и пр.).

Для них выпускаются инверторы с синусоидальным выходным напряжением, максимально приближенным по форме к напряжению в бытовой электросети. Конечно, эти инверторы сложнее в производстве и, соответственно, дороже.

Чтобы преобразователь смог обеспечить работу подключаемых в качестве нагрузки приборов, необходимо хотя бы приблизительно рассчитать суммарную нагрузку и выбрать инвертор необходимой мощности. Потребляемую мощность электроприбора обычно маркируют на задней панели или указывают в технической документации. В расчетах следует учесть, что при одновременном подключении нескольких приборов (через тройник или удлинитель) общая потребляемая мощность суммируется.

Электроприборы по характеру нагрузки можно разделить на две группы.

Первая группа — это приборы, мощность которых практически постоянна. К ним относятся лампы накаливания, нагреватели, телевизоры, компьютеры и т. п.

Для приборов этой группы можно выбирать инвертор с максимально допустимой мощностью, немного превышающей номинальную мощность приборов.

Вторая группа характеризуется тем, что стартовая нагрузка электроприборов при включении может превышать постоянную нагрузку в несколько раз (холодильники, насосы, электродвигатели, мощные энергосберегающие лампы с встроенным преобразователем и др.).

Современные преобразователи напряжения имеют защиту от перегрузок, которая постоянно срабатывает при включении таких и подобных им электроприборов, если мощность инвертора выбирается исходя из номинальной мощности нагрузки.

Следовательно, для такого оборудования лучше ориентироваться на двойной или тройной запас по мощности инвертора.

Следует учитывать и то обстоятельство, что мощность, указанная на инверторе, — величина весьма приблизительная.

Подключение нагрузки к инвертору имеет некоторые особенности, поэтому важно, чтобы инвертор имел функцию автоматического отключения при достижении на входе (клеммах АКБ) минимально допустимого напряжения (10,5±0,5 В).

В табл. 2.9 приведена требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и типа инвертора.

Таблица 2.9. Требуемая емкость АКБ в зависимости от мощности нагрузки и инвертора

Время работы электроприбора Т от инвертора, подключенного к аккумулятору, зависит от потребляемой мощности электроприбора, емкости аккумулятора, коэффициента полезного действия инвертора (КПД) и рассчитывается по формуле:

Т = 12С КПД/Р (час),

где 12 — напряжение аккумулятора, В;

С — емкость аккумулятора, А час;

Р — мощность нагрузки, Вт.

Для приборов, потребляющих постоянную мощность, равную номинальной (обозначенной на них), примерное время работы можно рассчитать по формуле:

Т = 8,5С/Р (час),

где С — емкость батареи, А час;

Р — мощность подключенных устройств, Вт.

Следует помнить еще, что аккумуляторы обладают так называемой «остаточной емкостью». Например, если, используя аккумулятор емкостью 90 А/ч, «погонять» газонокосилку мощностью 1 кВт в течение 45 мин, инвертор выключится, поскольку напряжение АКБ «подсядет». Но, уменьшив нагрузку до 500 Вт (подключив, скажем, электродрель), можно поработать ею столько же по времени. Потом можно подключить нагрузку 300 Вт, затем 130, 60, 30 Вт и т. д.

Конечно, расходование 100 % энергии аккумулятора не рекомендуется, т. к. его ресурс в этом случае заметно сокращается.

При длительном (более 2 часов) подключении инвертора с достаточно мощной нагрузкой к аккумулятору (при неработающем двигателе) он заметно разряжается.

Для примера в табл. 2.9 и 2.10 представлены расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (для полностью заряженной АКБ СТ-55А номинальной емкостью 55 А/ч).

Таблицы 2.10 и 2.11 пригодятся для расчета времени работы системы энергоснабжения от нетрадиционных источников (солнце и ветер) в то время, когда нет ни солнечной активности, ни ветра. Такое состояние в природе иногда происходит — безветренная ночь.

Таблица 2.10. Расчетные значения времени разряда АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии

Таблица 2.11. Расчетные значения времени разряда мощных АКБ в зависимости от мощности потребителя энергии (продолжение)

Глава 3

Особенности ИИП-преобразователей электроэнергии для нетрадиционных источников питания

Нетрадиционные источники питания получают все большее распространение в России. В Европе такие источники популярны уже лет 30… Приобрести блок солнечных батарей вместе с преобразователями напряжения сегодня может каждый; я — с оказией — сделал это в Финляндии, и такой блок обошелся мне в сумму чуть более четырехсот тысяч — в перерасчете на рубли. Но, учитывая реальную, а не номинальную мощность установки — 8 кВт, притом совмещенной с ветрогенератором, я вполне доволен, поскольку таким образом мне удалось решить вопрос с энергоснабжением на собственной даче. Но радовался я недолго, так как вскоре после монтажа установки встал новый актуальный вопрос: как все это хозяйство сохранить от воров в условиях Российской Федерации? Это вопрос сейчас находится в стадии решения.

И тем не менее, достигнув своих целей и смонтировав установку с нетрадиционными источниками питания — от энергии солнца и энергии ветра, я имею возможность разобрать эти хитрые финские устройства и теперь пояснить предметно их принцип работы.

Как выяснилось на практике, основной проблемой эффективности работы всей установки является периодическое затенение солнечных панелей и другие факторы снижения эффективности их работы.

На рис. 3.1 представлен общий принцип работы нетрадиционных источников питания, получающих энергию от ветра и солнца.

Рис. 3.1. Общий принцип работы нетрадиционных источников питания

Солнечные панели могут затеняться и снижать вырабатываемую мощность по следующим причинам:

1. затенение от рядом стоящего объекта или высокого объекта на удалении (горы, высокий лес) — неудачное расположение;

2. облачность, туман, сильный дождь, снег, пыль, листопад и даже птичий помет.

В связи с этими факторами, разумеется, самым лучшим решением является комплексная установка — и солнечные батареи, и ветрогенератор. Однако, несмотря на это, принцип работы преобразователей энергии для этой установки, рассматриваемый в данной книге, остается неизменным. Его особенности работы представлены ниже.

На рис. 3.2 дана схема соединения элементов системы UZO-DES OUTDOOR POWER SYSTEM.

Рис. 3.2. Принцип взаимосвязи элементов системы преобразования электроэнергии в моем хозяйстве

3.1. ИИП-преобразователи, реализованные на повышенной частоте

Во всех описываемых в настоящей книге устройствах применена схема импульсного источника питания с бестрансформаторным входом, работающая на повышенной (30…50 кГц) частоте. В такой схеме входное сетевое напряжение, которое в реальных условиях эксплуатации телевизора может находиться в пределах 170…242 В, выпрямляется сетевым выпрямителем, и полученным постоянным напряжением (оно получается в пределах 230…350 В) питается мощный стабилизирующий преобразователь напряжения. Из большого разнообразия схем стабилизирующих преобразователей в большинстве современных устройств-преобразователей используется так называемая «обратноходовая схема», где разделяются по времени работа ключевого транзистора на сетевой стороне и работа выпрямителей на вторичной стороне.

Принцип работы рассматриваемого преобразователя заключается в следующем. В каждый период работы блока первичная (силовая) обмотка импульсного трансформатора на некоторое время подключается к выходу сетевого выпрямителя через транзисторный ключ. Диоды вторичных выпрямителей при этом заперты и не влияют на ток силовой обмотки, который с момента включения ключа нарастает от нуля до некоторого значения.

Это значение определяется несколькими факторами: напряжением на выходе сетевого выпрямителя, индуктивностью силовой обмотки и временем, в течение которого открыт транзисторный ключ.

Закон изменения тока в силовой обмотке близок к линейному. Скорость его нарастания определяется отношением входного напряжения к индуктивности силовой обмотки трансформатора.

К моменту выключения транзисторного ключа в импульсном трансформаторе «запасается» некоторая порция энергии, численно равная половине произведения квадрата тока в силовой обмотке на ее индуктивность.

После запирания ключевого транзистора напряжения на обмотках трансформатора меняют знак, диоды вторичных выпрямителей открываются, и запасенная в трансформаторе порция энергии поступает через них в нагрузку.

После того как вся запасенная в трансформаторе энергия уйдет в нагрузку, напряжения на обмотках становятся близкими к нулю. В этот момент вновь включается транзисторный ключ, и процесс повторяется.

Выходной мощностью блока (и его выходным напряжением) можно управлять, изменяя длительность периода накопления энергии в трансформаторе, т. е. путем изменения времени открытого состояния транзисторного ключа. Таково упрощенное описание принципа работы преобразователя.

Для обеспечения стабильности выходных напряжений источника питания необходимо изменять время открытого состояния транзисторного ключа в зависимости от входного напряжения и мощности, отдаваемой источником в нагрузку. Чем больше входное напряжение, подаваемое на источник, тем меньшее время требуется для накопления требуемой энергии, и наоборот.

При увеличении нагрузки на источник питания время накопления необходимо увеличивать для увеличения энергии, запасаемой в трансформаторе в каждом периоде работы. Изменение режима работы транзисторного ключа в зависимости от изменения напряжения на входе и нагрузки по выходу обеспечивается специальной схемой управления. Эта схема должна быть достаточно быстродействующей, т. к. напряжение в питающей сети может изменяться скачками, так же, как и нагрузка источника.

3.1.1. Принцип работы схем управления преобразователей напряжения

Существует множество вариантов построения схем управления — от простейших транзисторных (как это, кстати, реализовывалось в конце XX века в телевизионных приемниках III и IV поколений) до схем, построенных на специально разработанных для этой цели интегральных схемах. Для наглядности схема ИИП для телевизионного приемника представлена на рис. 3.3.

В современных ИИП и преобразователях напряжения средней и большой мощности, которые описываются в этой книге, используется специальная интегральная схема нового поколения TDA16846 (фирмы «Infineon», Германия). Ее структурная схема представлена на рис. 3.4.

Выход этой И С (вывод 13) предназначен для управления мощным МДП-транзистором, для которого характерна большая емкость цепи затвора (до нескольких тысяч пикофарад). Особенностью ИС TDA16846 является малый ток потребления перед включением по выводу питания (вывод 2) — около 0,1 мА, что позволяет осуществлять ее запуск от маломощной цепи.

Дальнейшее описание работы ИС TDA16846 будет представлено при описании работы схемы питания.

При работе импульсных источников питания на отдельных его элементах присутствуют импульсы с амплитудой сотни вольт с крутыми фронтами, что вызывает необходимость применения специальных мер по снижению электромагнитного излучения в питающую сеть и окружающее пространство.

Минимизация электромагнитного излучения в пространство обеспечивается специальной конструкцией импульсного трансформатора и минимальной площадью контуров с большими импульсными токами на печатной плате. Излучение электромагнитных помех в питающую сеть подавляется специальными фильтрами, которые являются непременными атрибутами любого импульсного источника питания.

Рис. 3.3. Схема ИИП для телевизора

Типичная схема питания преобразователя содержит следующие функциональные узлы:

Рис. 3.4. Структурная схема микросборки TDA16846

• сетевой помехоподавляющий фильтр (С802, L802, С803, С804, С805, С828, С829);

• сетевой выпрямитель (VD801…VD804) и сглаживающий фильтр (С810);

• контроллер управления источником питания D802;

• силовой транзисторный ключ (VT801);

• импульсный трансформатор Т801;

• вторичные выпрямители и сглаживающие фильтры (VD817, VD819, VD821, VD828, С831, С836, С841, С341);

• интегральные стабилизаторы вторичных напряжений +5 В и +8 В (D805, D808 соответственно);

• параметрический стабилизатор «дежурного» режима — VD830, VD410, VT806.

• схему групповой стабилизации в «рабочем» режиме — управляемый стабилитрон D804 и оптопара D801;

• схему включения «дежурного» режима — VD820, VS802, VT805.

• схему размагничивания кинескопа — R801, VS801.

Рассмотрим работу электрической схемы питания, при этом вначале опишем ее работу в т. н. «рабочем» режиме, при котором выдаются номинальные напряжения питания. Этот режим включается при открытом состоянии транзистора VT805, который блокирует включение тиристора VS802.

Сетевое напряжение через плавкую вставку FU801 и сетевой фильтр подается на сетевой выпрямитель, нагруженный на сглаживающий конденсатор С810. Резистором R805 и активным сопротивлением обмоток дросселя сетевого фильтра L802 ограничивается импульсный ток заряда конденсатора С810 в момент включения преобразователя в сеть до величины 25…30 А. Это значение является безопасным для диодов 1N4007, используемых в сетевом выпрямителе.

В качестве силового ключа использован мощный МДП-транзистор VT801 типа SPP03N60S5 фирмы «Infineon». Он управляется импульсами, поступающими на его затвор с вывода 13 микросхемы управления D802. Резистор R818 ограничивает ток заряда емкости затвора до безопасного для И С D802 значения. Все функции управления источником питания обеспечиваются микросхемой D802. После включения телевизора в сеть микросхема запускается в работу током, подаваемым на ее вывод инициализации питания (вывод 2) с выхода сетевого выпрямителя через резистор R806. Этим током (его среднее значение около 0,3 мА) заряжается конденсатор С818 через внутренний (в микросхеме D802) диод, который включен между выводами 2 и 14 катодом к выводу 14.

Пока напряжение на выводе питания ИС не достигает ее порога включения, ток потребления И С D802 (десятки микроампер) практически не влияет на процесс заряда конденсатора С818. Когда напряжение на нем, а следовательно, и на выводе питания микросхемы D802 (вывод 14) достигнет величины 12… 13 В, микросхема включается, и с этого момента начинается процесс запуска схемы питания основного преобразователя.

В первую очередь анализируется выходное напряжение сетевого выпрямителя, которое должно находиться в пределах 230…350 В. Этот диапазон задается делителем напряжения на резисторах R807, R819, R820. Выводы 10 и И ИС D802 являются входами компараторов с порогом около 1 В.

Компаратор превышения напряжения питания (вывод 10) блокирует работу ИС D802, если напряжение на нем (падение напряжения на R820) превышает 1 В, а компаратор с входным выводом 11 блокирует работу И С D802, если напряжение на нем, т. е. падение напряжения на последовательно включенных резисторах R819 и R820, падает ниже 1 В.

Этим обеспечивается высокая надежность работы схемы питания в условиях недопустимых колебаний напряжения в сети.

Если напряжение на выходе сетевого выпрямителя находится в допустимых пределах, микросхема начинает выдавать первые короткие импульсы на затвор VT801. Так называемый «мягкий» запуск, при котором длительность первых импульсов на затворе VT801 минимальна, обеспечивается подключением к выводу 4 ИС D802 конденсатора С816. Это необходимо для того, чтобы снизить нагрузку на силовые элементы схемы питания, т. к. в начале запуска источник работает практически в режиме короткого замыкания по выходам из-за того, что конденсаторы фильтров выпрямителей на вторичной стороне полностью разряжены.

На этом первом этапе практически все питание И С DA802 осуществляется от конденсатора С818.

При отсутствии перегрузок на выходах источника питания, с каждым периодом его работы, его выходные напряжения растут и через 200…300 мс достигают значений, близких номинальным.

При этом и напряжение на конденсаторе С818, т. е. напряжение питания ИС D802, обеспечивается выпрямителем на диоде VD808, который выпрямляет импульсы с обмотки 3–4 трансформатора Т801.

При наличии коротких замыканий или перегрузок по выходам источника напряжения на них не успевают достигнуть номинальных значений, а напряжение на конденсаторе С818 уменьшается из-за тока потребления включенной микросхемы D802. Когда оно снижается до величины 6…7 В, микросхема D802 выключается, и процесс запуска источника питания повторяется.

В рассматриваемой схеме питания импульсного преобразователя силовой ключ и выпрямительные диоды работают в противофазе, т. е. при открытом силовом ключе VT801 выпрямительные диоды VD817, VD819, VD821, VD828, а также выпрямитель питания ИС D802 на диоде VD808 закрыты.

Этим обеспечивается высокая стойкость источника питания к перегрузкам, так как импульсный ток ключа определяется только длительностью запускающего импульса и индуктивностью обмотки 1–6 трансформатора Т801 и не зависит от состояния нагрузки ИИП.

Очередной, отпирающий силовой ключ импульс с выхода ИС D802 (вывод 13), как описывалось ранее, должен быть подан не ранее, чем вся накопленная в трансформаторе Т801 энергия будет отдана в нагрузку через диоды вторичных выпрямителей. Для этого ИС D802 имеет вход детектора «нуля», подключенного к выводу 3, который, в свою очередь, подключен к обмотке 3, 4 трансформатора Т801 через делитель напряжения на резисторах R811, R814.

Конденсатор С805 подавляет паразитные колебания в обмотке 3, 4 трансформатора Т801. Признаком полного «разряда» трансформатора в нагрузку является уменьшение до нуля напряжений на его обмотках, в т. ч. и на этой обмотке.

После того когда И С D802 зафиксировала «нуль» на своем выводе 3, очередной импульс на выводе 13 начнет формироваться через некоторое время, которое определяется постоянной времени цепи, подключенной к выводу 1. Это необходимо для того, чтобы при малых нагрузках, как это имеет место, к примеру, в «дежурном» режиме работы преобразователя, когда отпирающие импульсы имеют длительность всего 1…2 мкс, частота работы ИИП не становилась слишком высокой.

Стабильность выходных напряжений обеспечивается схемой слежения за выходным напряжением выпрямителя на диоде VD817 (+115 В). Напряжение с выхода этого выпрямителя через делитель, образованный резисторами R844, R849 и R845, подается на управляющий вход стабилитрона D804.

При повышении выходного напряжения выпрямителя VD817 выше установленного предела повышается и напряжение на управляющем выводе стабилитрона D804. Когда оно достигает 2,5 В, стабилитрон открывается, и через него начинает протекать ток от выхода выпрямителя VD821 через резистор R840, излучающий диод оптопары D801.

При протекании тока через излучающий диод оптопары открывается ее выходной транзистор, который шунтирует вывод 5 (через резистор R813) на «общий» вывод питания И С D802. Это приводит к уменьшению длительности запускающих импульсов и к прекращению дальнейшего роста выходного напряжения +115 В.

И наоборот, при снижении напряжения питания стабилитрон D804 закрывается, уменьшается ток коллектора выходного транзистора оптопары и увеличивается длительность импульсов запуска, увеличивая выходные напряжения.

Цепь обратной связи должна иметь высокое быстродействие, обеспечивающее эффективное подавление пульсаций частотой 100 Гц, обусловленных относительно большим значением напряжения пульсаций на сглаживающем конденсаторе сетевого выпрямителя С810. Это также обеспечивает быструю «реакцию» источника на скачкообразные изменения напряжения в питающей сети и на резкие изменения нагрузки на источник, которые, к примеру, могут быть вызваны резким увеличением тока потребления в нагрузке преобразователя.

После запуска источника цепь R806, С813 задает максимальную выходную мощность источника питания. При работе источника питания конденсатор С813 заряжается (с момента отпирания силового ключа) через резистор R806 до достижения порога срабатывания внутреннего компаратора ИС D802, который через ее внутреннюю логику выключает силовой ключ и разряжает конденсатор С813 до напряжения около +1,5 В.

Порог срабатывания этого компаратора определяется выходным напряжением усилителя ошибки ИС D802, и он снижается при увеличении напряжения на входе усилителя ошибки (вывод 3) выше порога 3,5 В.

Таким образом, время заряда конденсатора С813 до срабатывания компаратора определяет длительность импульса, включающего силовой ключ.

При этом постоянная времени зарядной цепи R806, С813 фактически определяет максимально возможную длительность отпирающих силовой ключ импульсов, т. е. максимальную выходную мощность источника. При использованных в схеме ИИП элементах значение его выходной мощности ограничено величиной 500 Вт.

Такое ограничение выходной мощности дополнительно защищает элементы источника питания и остальной части схемы преобразователя от повреждений при перегрузках.

При идеальных параметрах трансформатора Т801 максимальное напряжение на силовом ключе VT801 после его запирания определялось бы суммой напряжения на конденсаторе С810 и выходного напряжения обратной связи, приведенного к силовой обмотке трансформатора.

Однако реальный трансформатор имеет индуктивность рассеяния, в которой также запасается некоторая энергия при отпирании силового ключа. Поэтому, если не принять специальных мер, после каждого запирания силового ключа на нем будут возникать очень короткие выбросы напряжения, способные вызвать пробой силового ключа.

Для образования пути «разряда» энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния Т801, служит цепь R808, С811, VD809, которая уменьшает выброс напряжения на стоке VT801 при его запирании.

Конденсатор С820 дополнительно задерживает фронт нарастания напряжения на стоке VT801 до его полного запирания, что уменьшает мгновенную мощность, выделяющуюся в структуре транзистора VT801. Эти элементы обеспечивают надежную защиту силового ключа в различных режимах работы источника — от режима, близкого к «холостому» ходу, до максимальной выходной мощности. Отказы силового ключа (чаще всего это пробой сток-исток) могут иметь место только при катастрофическом повышении напряжения на сетевом входе (до 300…350 В) либо при пробое диодов вторичных выпрямителей во время работы схемы питания.

В этом случае может возникнуть опасность повреждения и других элементов схемы, особенно микросхемы D802 и связанных с ней цепей. Это может произойти, если током разряда С810 через пробитый силовой транзистор (он может достигать 200…250 А) будет пережжен внутренний вывод истока транзистора VT801.

После этого короткого замыкания по выходу сетевого выпрямителя уже нет, и напряжение около 300 В через цепь сток-затвор пробитого VT801 может вызвать тяжелые повреждения элементов в цепи его затвора (R818, D802), а также печатной платы в местах расположения этих элементов. Для исключения такой ситуации в цепь питания ключа, после конденсатора С810, введена плавкая вставка FU802 на ток 1А, которая срабатывает до сгорания вывода истока VT801.

Нестабильность напряжений на выходах вторичных выпрямителей, без применения дополнительных мер, составляет около 2 %.

Напряжение питания схемы управления в рабочем режиме снимается с выхода выпрямителя +7,11 В на диоде VD821. Параметрический стабилизатор образован резистором R438 и стабилитроном VD410 напряжением +5,1 В. От этого стабилизатора питается фотоприемник D402 (ток потребления около 3 мА). К нему же подключен делитель напряжения R847, R848. С его средней точки напряжение около +3,8 В подается на эмиттерный повторитель VT806, с эмиттера которого снимается напряжение питания около +3,2 В на микроконтроллер управления преобразователя. Для снижения мощности, рассеиваемой в транзисторе VT806, последовательно с коллектором включен резистор R834.

Теперь рассмотрим работу схемы питания в «дежурном режиме. Его включение происходит по команде микроконтроллера D101 с его вывода 1. Включению «дежурного» режима соответствует низкий уровень на этом выводе. При этом запирается транзисторный ключ VT805. Тиристор VS802 включается импульсами с вывода 15 трансформатора каждый период работы источника, когда на этом выводе трансформатора формируется положительный фронт напряжения. В этот период обмотка 15–13 Т801 подключается к конденсатору С841 через открытый диод VD820 и открытый тиристор VS802. Во время «обратного хода» ИИП (когда силовой ключ VT801 закрыт), как было описано выше, энергия, запасенная в трансформаторе Т801, расходуется во вторичных цепях, а вторичные обмотки работают как генераторы тока.

Током обмотки 15–13 через VD820 и VS802 начинает заряжаться конденсатор С841, а диод VD817 закрыт, т. к. на его аноде напряжение примерно равно напряжению на С841, а на катоде пока присутствует напряжение около 115 В с конденсатора С831.

По мере заряда конденсатора С841 напряжение на нем растет, и когда оно достигает величины около +10 В, открывается стабилитрон VD830, и начинает протекать ток через резистор R840, излучающий диод оптопары D801 и стабилитрон VD830.

Выходной транзистор оптопары открывается, и через вывод 5 И С D802 уменьшается длительность запускающих импульсов на затвор VT801. При этом напряжение с обмотки 15–13 Т801 выпрямляется диодом VD820 и через открытый тиристор VS802 поддерживается на уровне около +10 В (на конденсаторе С841).

Амплитуда импульсов, выпрямляемых с обмотки 15–13, составляет около 12 В вместо +115 в «рабочем» режиме, и, соответственно, амплитуда импульсов на других обмотках Т801 уменьшается пропорционально, т. е. примерно в 10 раз. В таком режиме выходные напряжения выпрямителей VD819 и VD828 снижаются практически до нуля, а схема стабилизации отслеживает напряжение на конденсаторе С841.

При его увеличении растет ток стабилитрона VD830, соответственно, и ток по входу оптопары.

Ее выходной транзистор увеличивает степень шунтирования вывода 5 D802, уменьшая длительность запускающих импульсов в затвор VT801 и прекращая дальнейший рост напряжения на С841.

Наоборот, если напряжение на С841 падает, уменьшается ток через вход оптопары, закрывается ее выходной транзистор, и длительность импульсов запуска увеличивается, поддерживая напряжение на С841.

Амплитуда импульсов на обмотке 3–4 Т801, с которой питается ИС D802, также уменьшается примерно в 10 раз, и если не принять дополнительных мер, схема питания отключится и перейдет в режим повторного запуска.

Чтобы этого не происходило, имеется схема подпитки микросхемы D802 от выпрямителя импульсов «прямого» хода с обмотки 4–5 Т801, амплитуда которых не зависит он выходных напряжений схемы питания, а определяется только напряжением в питающей сети. Эта схема имеет выпрямитель VD814, фильтр С822, генератор тока на VT802, VD811, VD812, R824, работающий на стабилитрон VD815 с напряжением стабилизации 11В.

Микросхема D802 питается через развязывающий диод VD810. Генератор тока включается в работу транзисторным ключом VT803, вход которого через резистор R825 подключен к выводу 3 трансформатора Т801. В рабочем режиме импульсного преобразователя амплитуда положительных импульсов составляет около 13 В, в «дежурном» — около 1,2 В. Поэтому в этих режимах ключ VT803 открыт и генератор тока VT802 работает.

При коротких замыканиях по выходу схемы питания напряжения на обмотках падают более чем в десять раз, напряжения импульсов на выводе 3 будет уже недостаточно для включения генератора тока схемы подпитки, и микросхема переходит в режим повторного запуска с частотой примерно 1 раз в секунду.

В этом режиме обеспечиваются безопасные электрические режимы работы элементов, т. е. при попытке запуска сразу обнаруживается замыкание, и процедура запуска повторяется.

Симистор VS801 управляется от отдельного выпрямителя на диоде VD806. Управляющее напряжение, достаточное для включения симистора, присутствует только в рабочем режиме преобразователя напряжения, т. е. когда он включается для контроля и стабилизации входного напряжения, получаемого от ветрогенератора или систем солнечной батареи.

В «дежурном» режиме работы напряжение на выходе выпрямителя VD806 отсутствует, т. к. амплитуды импульсов на обмотке 7–8 трансформатора недостаточно для отпирания выпрямительного диода VD806. Этим самым снижается мощность, потребляемая всеми устройствами в «дежурном» режиме.

3.1.2. Элементы против помех

Источник питания содержит ряд элементов, которые снижают уровень создаваемых им электромагнитных помех и наводок. Большой уровень излучаемых электромагнитных помех может нарушить как работу других электронных устройств — радиоприемников, магнитофонов и т. д., так и вызывать помехи на изображении и в канале звукового сопровождения самого телевизора.

К таким элементам относятся конденсаторы, шунтирующие диоды выпрямителей (С830, С835, С840, С846, С809), ферритовые трубки, одетые на выводы диода самого мощного выпрямителя — VD817, конденсаторы С804, С805, шунтирующие диоды сетевого выпрямителя, конденсаторы С828, С829, замыкающие по высокой частоте сетевую и вторичную стороны схемы питания, конденсаторы С802 и С803, замыкающие по высокой частоте его сетевой вход, а также дроссель L802. Дроссель содержит две одинаковые обмотки, намотанные на замкнутом сердечнике из феррита.

Ток потребления устройства не вызывает подмагничивания феррита, т. к. для этого тока обмотки включены последовательно и встречно. Для напряжения помех на сетевых проводах они включены параллельно и согласно, что значительно снижает высокочастотные компоненты тока помех в сетевых проводах.

Регулировка выходных напряжений источника питания осуществляется программным способом, подачей управляющего напряжения на управляющий вывод регулируемого стабилитрона D804 с вывода 5 микроконтроллера D101 через R842.

Режимы микросборки TDA16846P

В «дежурном режиме»:

1 — 2,61

2 — 1,51

3 — 0,49

4 — 5,51

5 — 2,14

6– 0 (GND)

7– х

8– х

9– х

10 — 0,7

11 — 1,62

12-0 (GND)

13 — 1,09

14 — 10,72 (Vcc)

В «рабочем режиме»:

1 — 2,82

2 — 1,66

3 — 1,46

4 — 5,55

5 — 3,15

6– 0 (GND)

7– х

8– х

9– х

10 — управление для перехода в дежурный режим

11 — 1,58 12-0 (GND)

13 — 2,23

14 — 10,72 (Vcc)

Схемы, содержащие импульсные источники и преобразователи напряжения, построены примерно по одному принципу, который подробно рассмотрен в разделах главы 1.

Модуль помещается в корпус из непроводящего материала, в торцевой стенке которого устанавливаются включатель питания и разъем типа РП10-11 (или другой) для подключения внешних устройств нагрузки. Общий провод заземлять не нужно.

Учитывая, что элементы модуля находятся под напряжением 220 В, производить его ремонт следует, только отключив сетевое питание.

Глава 4

Импортозамещение элементов для конструирования и ремонта ИИП

При проведении ремонтных работ и разработке ИИП нередко возникают ситуации, когда нет возможности заменить вышедшие из строя элементы на оригинальные комплектующие. По большей части это относится к полупроводниковым приборам. В рамках программы импортозамещения отечественной промышленностью выпускается ассортимент микросхем и микросборок, трансформаторов, пассивных элементов, диодов и транзисторов, используя которые, можно решить возникающие проблемы с элементной базой.

4.1. Импортозамещение элементов в транзисторном секторе

В этом разделе вниманию разработчиков предлагается сводная таблица по активным компонентам, наиболее часто применяемым в импульсных источниках питания, их основные параметры и наиболее близкие отечественные аналоги.

В графе «Основные параметры» приведены минимальные характеристики параметров, определяющих возможность использования прибора в конкретной цепи.

Таблица 4.1. Полупроводниковые приборы и их отечественные аналоги

Примечания:

1. Отечественные сборки являются функциональными аналогами, но конструктивно не совместимы с оригинальными выпрямительными элементами. Конструктивным и функциональным аналогом считается сборка на основе диодов Шоттки фирмы Philips типа PBYR3045PT.

2. Отечественные сборки являются функциональными аналогами, но конструктивно не совместимы с оригинальными выпрямительными элементами. Конструктивным и функциональным аналогом считается диодная сборка фирмы Philips типа BYQ28200.

Разумеется, при подборе элементов замены особое внимание следует уделять конструктивной совместимости полупроводниковых приборов.

Прежде всего должны учитываться функциональное назначение выводов и способ крепления прибора на теплоотводе. Сборки на основе диодов Шоттки в схемах выпрямителей канала +5 В могут быть использованы и в цепях канала +3,3 В.

В современных электронных приборах широко применяются резисторы с маркировкой в виде цветных полос.

Отечественные резисторы типа С2 23 *уточнить* также выпускаются с аналогичной маркировкой. Номиналы резисторов кодируются четырьмя или пятью полосами.

Пять полос имеют резисторы, номиналы которых определяются с точностью до третьего знака. Внешний вид резисторов с маркировкой полосками представлен на рис. 4.1.

Расшифровка кодовых обозначений цветовой маркировки приведена в табл. 4.2.

Определение номиналов резисторов с четырьмя и пятью полосами проводится на основе данных, приведенных в табл. 4.2.

Рис. 4.1. Внешний вид резистора с нанесенной маркировкой полосами

Таблица 4.2. Цветовая маркировка резисторов

У резисторов с четырьмя полосами первая и вторая полосы определяют, соответственно, первую и вторую цифры номинала сопротивления, третья полоса — множитель, на который следует умножить значение первых двух цифр.

Три первые полосы у пятиполосных резисторов обозначают три цифры номинала, четвертая полоса — множитель.

Последняя полоса для каждого типа маркировки — это допуск. Множитель — число десять в степени, показатель которой определяется цветом соответствующей полосы. В табл. 2 коэффициент «К» обозначает тысячу (третья степень числа 10), а «М» — миллион (шестая степень числа 10).

4.2. Параметры серийных биполярных транзисторов

Основные электрические параметры серийно выпускаемых биполярных транзисторов с «приемкой 5» представлены в табл. 4.3, 4.4 и 4.5.

Таблица 4.3. Основные электрические параметры мощных составных транзисторов Дарлингтона

Таблица 4.4. Основные электрические параметры мощных составных транзисторов Дарлингтона

Таблица 4.5. Мощные IGBT транзисторы. Основные электрические параметры

4.3. Мощные полевые транзисторы для ИИП

Мощные и-канальные полевые транзисторы с изолированным затвором 2П7160 с буквенными индексами А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И, К по АЕЯР.432140.374ТУ обладают повышенной устойчивостью в ситуациях специального назначения (их особое отличие — стойкость к радиации) и космического пространства, что является фактором дополнительной надежности. Замена ранее используемых МОП-транзисторов на вновь разработанные позволяет уменьшить вес и габариты устройств, существенно повысить надежность радиоэлектронной аппаратуры, снизить энергопотребление.

Электрические параметры разработанных изделий представлены в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Электрические параметры мощных п-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором 2П7151А, 2П7160А-2П7160К

Примечание:

1. МОП-транзисторы изготавливаются с золотым или никелевым покрытием корпуса.

2. МОП-транзисторы изготавливаются для монтажа в отверстия и для поверхностного монтажа в металлостеклянных корпусах КТ97А, КТ-97В, КТ-97С с планарными выводами с золотым или никелевым покрытием, для изготовления которых используется прецизионный стальной профиль.

3. Масса транзистора в корпусе КТ-97А — 5 г, КТ-97В — 8,5 г, КТ-97С — 10 г.

4. С 2011 года МОП транзисторы выпускаются также в керамико-полимерных корпусах КТ-ША-1,2, КТ-111В-1,2, КТ-111C-1,2 с изолированным коллектором и плоскими выводами (масса транзистора — от 1,5 г), а также на керамической подложке со сплошной заливкой герметичным компаундом — бескорпусная модификация «2» с гибкими выводами.

5. Монтаж транзисторов в аппаратуре может осуществляться методом пайки или с помощью теплопроводящего клея.

4.4. Выбор оксидного конденсатора для ИП

При выборе оксидного конденсатора для ИП необходимо стремиться к тому, чтобы ток утечки не превышал значения 0,1 мА/1 мкФ. Рабочее напряжение такого конденсатора должно в два раза превышать максимальное расчетное напряжение в действующей цепи. Подача напряжения обратной полярности недопустима.

Несоблюдение полярности алюминиевых оксидных конденсаторов приводит к короткому замыканию цепи и нередко заканчивается взрывом конденсатора, если он находится под напряжением.

Для предотвращения несчастных случаев, которые возможны при несоблюдении полярности конденсатора, желательно использовать конденсаторы с предохранительными отверстиями на корпусе.

В цепях с переменной полярностью желательно использовать керамические неполярные конденсаторы.

При эксплуатации оксидных конденсаторов в качестве разделительных при малых напряжениях учитывают наличие у них собственной ЭДС, с действующим значением до 1 В.

Это значение может совпадать или не совпадать с полярностью конденсатора.

Практика показывает, что оксидные конденсаторы типов К50-26, К50-20 могут изменять полярность на противоположную с течением времени.

Это вносит в работу усилителя некачественные (нежелательные) изменения, влияющие на шумы, передачу сигналов между каскадами и в целом на нормальную работу устройства. Танталовые конденсаторы типа К52-2, К52-5, ЭТО и другие при встречном включении (как неполярные) допускают работу в цепях переменного тока с частотой до 20 кГц при действующем значении напряжения до 3 В.

Не допускайте, чтобы оксидный конденсатор находился под напряжением, превышающим его рабочее напряжение (допустимо только кратковременное перенапряжение, несколько секунд). При прохождении через конденсатор импульсного тока обращают внимание на максимальное напряжение на конденсаторе (сумма постоянного напряжения и напряжения пульсаций — если конденсатор включен в электрическую цепь как сглаживающий пульсации фильтр), чтобы оно не превышало номинального значения.

В противном случае это приводит к преждевременному отклонению электрических характеристик конденсаторов (особенно оксидных) от номинальных.

К примеру оксидный алюминиевый конденсатор К50-24 рассчитан на работу в течение 2000 часов. После этого времени предприятие-изготовитель не гарантирует сохранения номинальной емкости, тока утечки и прочих важных параметров. 2000 часов — это примерно 83 суток. Естественно, что для высококачественного усилителя нежелательно использовать такого рода конденсаторы.

Практикой установлено, что эксплуатируемые при комнатной температуре усилители и приборы имеют более долговременную историю стабильной и эффективной работы, чем те, которые используется при разных (в том числе отрицательных) температурах окружающей среды.

Это объясняется тем, что рабочий температурный диапазон широко популярных оксидных конденсаторов «привязан» к температуре + 10…+70 °C.

Использование конденсатора при комнатной температуре гарантирует длительный срок его полезной службы. Сумма постоянного обратного напряжения и амплитуды пульсаций не должна превышать значение 2 В.

Для каждой серии современных конденсаторов указывается максимальное значение тангенса угла потерь (tg 8), которое, как правило, измеряется на частоте сигнала 120 Гц при температуре окружающей среды +20 °C. Отсюда вычисляется эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) по формуле:

ESR = tg δ/2πƒС,

где ƒ — частота, при которой производились измерения, Гц;

С — емкость конденсатора, Ф.

В электрических цепях, где процесс заряда-разряда происходит с высокой частотой, значение емкости (по определению конденсатора) может уменьшаться.

Если через конденсатор протекает импульсный ток, значение которого превышает номинальное значение тока конденсатора, то на конденсаторе выделяется избыточное тепло (его можно зафиксировать «невооруженными» руками, прикосновением), его емкость уменьшается, срок службы сокращается.

Во время пайки дискретных и чип-элементов необходимо соблюдение осторожности. Температура пайки выводов конденсаторов не должна превышать 260 °C, а контакт с жалом паяльника — не более 5…7 с.

Допустимый ток пульсации для оксидного электролитического конденсатора необходимо учитывать (он указывается персонально для каждой серии) для использования таких конденсаторов в качестве фильтрующих элементов в источниках питания мощных усилителей. Сумма постоянного напряжения на обкладках конденсатора и напряжения пульсации не должна превышать номинального рабочего напряжения.

Номинально допустимые параметры определяются при окружающей температуре +85 °C и на частоте сигнала 120 Гц. При другой температуре окружающей среды и другой частоте сигнала в качестве максимально допустимого тока пульсации применяется значение тока пульсации, умноженное на коэффициент в табл. 4.7 и табл. 4.8.

Таблица 4.7. Расчет тока пульсации оксидных конденсаторов в зависимости от температуры

Таблица 4.8. Расчет тока пульсации оксидных конденсаторов в зависимости от частоты действующего сигнала

Символьная маркировка неполярных конденсаторов представлена в табл. 4.9.

Таблица 4.9. Символьная маркировка неполярных конденсаторов

В табл. 4.10 представлены значения допуска для неполярных кон денсаторов с ненормированным ТКЕ.

Таблица 4.10. Допуск неполярных конденсаторов с ненормируемым ТКЕ

Для керамических и стеклянных неполярных конденсаторов аналогичные сведения представлены в табл. 4.11.

Таблица 4.11. Допуск неполярных керамических и стеклянных конденсаторов с ненормируемым ТКЕ

Представленные данные подтверждены многолетней практикой ремонта усилителей и справочниками.

Литература

1. Кашкаров А. П. Радиолюбителям: Электронные узлы. — М.: Ра-диоСофт, 2006. — 270 с.: ил. (Книжная полка радиолюбителя. Вып. 10.)

2. Кашкаров А. П. Эксплуатация и ремонт бесперебойных источников питания // Электрик. 2011. № 10. — С. 56.

3. Кашкаров А. П. Что делать, если в частном доме отключили энергоснабжение? // Электрик. 2012. № 9. — С. 52.

4. Кашкаров А. П. Обеспечение бесперебойного питания в кризисной ситуации // Электрик. 2012. № 11–12. — С. 37.

5. Кашкаров А. П. Замена электротехнических устройств на аналоги // Электрик. 2013. № 3–4. — С. 44.

6. Кашкаров А.П. Восстановление работоспособности ИБП — Электрик. № 11. 2013. — С. 66.

7. Кашкаров А. П. Солнечные батареи и модули как источники питания // Электрик. 2016. № 4. — С. 48.

8. Кашкаров А. П. Света нет, а мы зажигаем. Обеспечение бесперебойного электропитания экодома в кризисной ситуации // Экодом. 2014. № 4. — С. 11–14.

9. Кашкаров А. П. Солнечные батареи и модули как источники питания // Современная электроника. 2015. № 5. — С. 9.

10. Кашкаров А. П. Система видеонаблюдения для охранного телевидения на основе видеоконтроллера TW2700 фирмы Techwell Inc. // Компоненты и технологии. 2008. № 9. — С. 26.

11. Кашкаров А. П., Колдунов А. С. Импульсные источники питания: достоинства и недостатки // Электрик. 2009. № 10. — С. 60.

12. Кашкаров А. П. Ты и диод. Ремонт и модернизация бюджетных источников питания // Железо. 2010. № 5 — С. 98–102.

13. Кашкаров А. П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. — М.: ДМК-Пресс, 2011. — 144 с. ISBN 978-5-94074-662-1.

14. Кашкаров А. П. Установка, ремонт и обслуживание кондиционеров. — М.: ДМК-Пресс, 2011. — 156 с. ISBN: 978-5-94074-666-9.

15. Кашкаров А. П. Современные обогреватели: Типы, расчет мощности, ремонт — для дома, офиса, и не только. — М.: ДМК-Пресс, 2011. — 152 с. ISBN 978-5-94074-690-4.

16. Куличков А. В. Импульсные блоки питания для IBM PC. — М.: ДМК-Пресс. — 120 с.: ил. (Ремонт и обслуживание. Вып. 22.)

17. Кашкаров А. П., Колдунов А. С. Оригинальные конструкции источников питания. — М.: ДМК-Пресс, 2010. — 144 с. ISBN 978-5-94074-634-8.

Справочный материал из каталогов

1. Semiconductor Short Form — Temic Semiconductor, 2015.

2. Farneil. Der Elektronik Katalog — Germany, 2016.

3. Small-Signal Semiconductors. Short Form Catalog — Siemens, 2015.

4. Motorola Semiconductor Master Selection Guide — Motorola, 2014.

5. Setron. Technischer Katalog — Germany, 2014.

6. Communications Components Designer’s Catalog — Hewlett Packard Co., 2016.

7. Pan jit. Data Book — CD-ROM, 2014.

8. Seiko Instruments Inc. Sll Components — CD-ROM, 2012.

9. Analog Devices. Designers Reference Manual. Winter 2009/2010 — CD-ROM, 2011.

Книги издательства «ДМК Пресс» можно заказать в торгово-издательском холдинге «Планета Альянс» наложенным платежом, выслав открытку или письмо по почтовому адресу: 115487, г. Москва, 2-й Нагатинский пр-д, д. 6А.

При оформлении заказа следует указать адрес (полностью), по которому должны быть высланы книги; фамилию, имя и отчество получателя. Желательно также указать свой телефон и электронный адрес.

Эти книги вы можете заказать и в интернет-магазине: www.alians-kniga.ru. Оптовые закупки: тел. (499) 782-38-89 Электронный адрес: books@alians-kniga.ru.

Content

Андрей Кашкаров
Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников

Список сокращении

Меры безопасности

Предостережение о мерах личной безопасности

Глава 1 Импульсные источники питания бытовой и специальной радиоаппаратуры

1.1. Принципы схемотехники импульсных источников питания

1.1.1. Схемотехника цепей ИИП

1.1.2. Варианты схемотехники вторичных цепей ИИП

1.1.3. Особенности двухполупериодных схем выпрямителей

1.1.4. Выпрямитель и фильтр напряжения

1.2. Схемотехника защиты и формирования служебных сигналов

1.2.1. Практические примеры схемотехники защиты ИИП

1.2.2. Формирование и контроль импульсов для схемы защиты

1.2.3. Организация контроля длительности импульсов управления

1.2.4. Работа устройства в режиме перегрузки

1.2.5. Особенности схемотехники компаратора

1.2.6. Схемы формирования сигнала POWERGOOD

1.3. Рекомендации по выявлению неисправностей ИИП

1.3.1. Проверка каскада ШИМ-преобразователя

1.3.2. Безопасная проверка функционирования силового каскада

1.3.3. Завершающий этап проверки ИИП

1.3.4. Анализ и способы локализации часто встречающихся неисправностей ИИП

1.3.5. Особенные неисправности ИИП

Глава 2 Современные возможности конструирования и схемотехники ИИП

2.1. Автогенераторные каскады ВЧ-преобразователей

2.2. Типовые схемы усилителей мощности в ИИП

2.3. Схемотехника ИИП с несколькими выходными напряжениями для разной токовой нагрузки

2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП

2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных источников электропитания

2.5.1. Проверка устройства и подготовка к работе

2.5.2. Возможные неисправности

2.6. Соединение преобразователей и ИИП в параллельной электрической схеме

2.6.1. Особенности электрической цепи при параллельном соединении

2.6.2. Технологическая схема подключения однофазного стабилизатора

2.6.3. Схема подключения трехфазного стабилизатора

2.6.4. Контрольно-измерительные приборы и защита от короткого замыкания

2.6.5. Модели с расширенным диапазоном стабилизации

2.7. Преобразователи напряжения для альтернативных источников питания

Глава 3 Особенности ИИП-преобразователей электроэнергии для нетрадиционных источников питания

3.1. ИИП-преобразователи, реализованные на повышенной частоте

3.1.1. Принцип работы схем управления преобразователей напряжения

3.1.2. Элементы против помех

Глава 4 Импортозамещение элементов для конструирования и ремонта ИИП

4.1. Импортозамещение элементов в транзисторном секторе

4.2. Параметры серийных биполярных транзисторов

4.3. Мощные полевые транзисторы для ИИП

4.4. Выбор оксидного конденсатора для ИП

Литература