Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

Второй фактор важен потому, что для цепей выпрямления импульсных сигналов необходимо подбирать диоды, соответствующие не только требованиям по максимальному значению обратного напряжения и прямого тока, но и по времени восстановления обратного сопротивления. То есть диоды должны быть особыми, точнее, безинерционными. Когда нагрузка источника питания приближается к максимальной, длительность импульсных сигналов увеличивается, в то же время интервал «мертвой зоны» сокращается. Время переключения диодов вторичного выпрямителя из проводящего состояния в закрытое и обратно также уменьшается. Длительность фронта и спада входного импульса составляет десятые доли микросекунды. В предельном случае импульсы изменяющейся полярности следуют друг за другом. Выпрямительные диоды в течение смены полярности импульса (длительности фронта), должны полностью восстановить свои свойства. То есть время восстановления сопротивления диода не должно превышать 0,1–0,2 мкс. Если свойства диодов не отвечают этим требованиям, то в короткие промежутки времени, когда происходит переключение силовых транзисторов усилителя мощности, выпрямитель будет представлять собой проводящую цепь, замыкающую вторичную обмотку. В момент переключения один диод должен выйти из проводящего состояния, а второй – включиться. Пусть время восстановления обратного сопротивления первого диода больше длительности фронта импульса, тогда существует время, когда первый еще не полностью закрывается, а второй под действием прямого напряжения начинает открываться. Нагрузка на открытый транзистор преобразователя возрастет, и появится всплеск тока. На фронте импульса возникнут помеховые высокочастотные выбросы. Силовой транзистор будет находиться в форсированном режиме до восстановления первым диодом обратного сопротивления. Таким образом, из-за возможного длительного переключения выпрямительных диодов транзисторы преобразователя начинают работать в режиме коммутации увеличенного тока и возникают дополнительные высокочастотные помехи. Первое явление приводит к перегреву силовых транзисторов, второе – к необходимости дополнительной фильтрации «фронтальных» помех. Избежать этих явлений можно двумя способами: применением мощных высокочастотных диодов и схемотехническими приемами.

Диоды Шоттки обладают относительно малым (менее 0,1 мкс) временем восстановления обратного сопротивления, поэтому применение сборок на их основе оправдано и с точки зрения выпрямления импульсных сигналов.

Согласно принципиальной схеме рис. 2.2, к выводам 2 и 4 подключены дискретные выпрямительные диоды канала -5 В и две диодные сборки для каналов +5 В и +3,3 В. Сборки на основе диодов Шоттки предназначены для работы в цепях с высоким потреблением тока, в выпрямителе канала -5 В установлены обычные кремниевые диоды типа FR102.

Выпрямительные элементы, подключенные к выводам 1 и 5 трансформатора T3, используются для формирования напряжений в каналах +12 В и -12 В. Выпрямитель +12 В собран на основе сборки кремниевых диодов типа CTX128. К выводам трансформатора сборка подсоединяется анодами диодов. Выпрямитель канала -12 В собран на основе двух диодов типа FR102, присоединенных к трансформатору своими катодами.

В подключении выпрямительных элементов к выводам 1, 5 и 2, 4 есть много общего, но в то же время есть и различие: параллельно выводам 1–5 включена RC цепь на элементах R56, C27, а для выводов 2, 4 подобной цепочки не предусмотрено. Объясняется это тем, что в каналах +12 В и -12 В применены кремниевые диоды, скоростные характеристики которых уступают диодам Шоттки выпрямителей каналов +5 В и +3,3 В. Время восстановления их обратного сопротивления сопоставимо с длительностью фронтов импульсов. Для увеличения длительности фронта и спада импульса и используется эта пропорционально интегрирующая цепь. С ее помощью происходит «затяжка» фронта для того, чтобы выпрямительные кремниевые диоды успели переключиться, и соответственно снижается нагрузка на силовые диоды в моменты их переключения.

В каждом из вторичных каналами применена практически одинаковая схема фильтрации выпрямленного напряжения. Все канальные фильтры содержат емкости и индуктивности. Фильтр канала +5 В – двухзвенный, включает в себя Г– и П-образные фильтры. Фильтры остальных каналов – однозвенные, Г-образные.

Потребление энергии каналами -12 В и +12 В может значительно отличаться. Однако их выпрямительные элементы подключены к одноименным выводам трансформатора T3. К цепи обратной связи ШИМ регулятора подсоединен только выход канала + 12 В. Уровень поступления энергии во вторичную цепь определяется мощностью нагрузки в канале +12 В. Для гашения избыточного напряжения в канале -12 В перед первым дросселем фильтра установлен дополнительный диод D30. Таким образом уравниваются уровни напряжений по каналам с абсолютным значением напряжения 12 В.

К выводу 5 обмотки трансформатора T3 подключен диод D25. Катод диода соединен с цепью питания микросхемы IC1. Логика построения системы питания ШИМ преобразователя состоит в том, что в начальный момент подключения источника питания к первичной сети происходит запуск автогенератора на транзисторе Q3. На микросхему поступает выпрямленное напряжение от диода D9. Сглаживается это напряжение конденсатором C24. Подача электропитания по данной цепи продолжается до тех пор, пока не произойдет возбуждение микросхемы IC1, усилителя мощности импульсного преобразователя и на вторичной обмотке T3 не появятся импульсные колебания. Импульсы положительной полярности открывают диод D25. Конденсатор C24 заряжается практически до их амплитудного значения. С этого момента уровень напряжения на C25 превышает амплитуду импульсов, подаваемых от автогенератора через D9. Диод D9 во время нормальной работы усилителя мощности находится в состоянии обратного смещения, и энергия в цепь питания IC1 поступает только от вторичной обмотки трансформатора T3. Автогенератор продолжает работать, но эффективно запитывает только канал дежурного режима компьютера.

В построении схемы стабилизации напряжения в канале +3,3 В тоже есть особенность: помимо фильтра на пассивных элементах здесь используется параметрический стабилизатор, в состав которого входят диод D31, транзистор Q11, управляемый стабилизатор ZIC1 и группа элементов, устанавливающих режимы работы активных компонентов.

Это можно объяснить следующим образом: выпрямительные диоды сборки SBD3 подключены к выводам 2 и 4 трансформатора T3, то есть к тем же выводам, что и выпрямитель канала +5 В. Поступление энергии на эти выводы регулируется обратной связью, следящей только за состоянием канала +5 В. Без дополнительной регулировки уровни напряжений в каналах +5 и +3,3 В были бы практически одинаковыми.

Стабилизатор ZIC1 выполнен в корпусе с тремя выводами. Тип корпуса – TO92, аналогичен пластиковому корпусу отечественного транзистора КТ3107. Тип стабилизатора – TL431C. Напряжение стабилизации устанавливается внешним резистивным делителем и выбирается произвольно из диапазона 2,5-36,0 В. Погрешность напряжения стабилизации составляет 1–2 %. Индекс C после наименования прибора указывает на температурный диапазон использования стабилизатора, который ограничен пределами 0-70 °C. Стабилизатор имеет три электрода, обозначения которых, согласно схеме рис. 2.2, приведены в скобках: анод (GND), катод (VO), вход опорного напряжения (VI). Расположение электродов в пластиковом корпусе показано на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Расположение электродов стабилизатора TL431 в корпусе TO92 (вид сверху)

Максимальное напряжение на катоде может составлять 37 В, ток катода – от -100 до 150 мА. Отрицательное значение тока приведено для случая прямого включения стабилизатора. Максимальный входной ток по опорному электроду – 10 мА. Типовое напряжение на опорном электроде – 2,495 В, при входном токе 1,8 мкА.

Схема включения стабилизатора TL431, поясняющая принцип его работы, приведена на рис. 2.16. Наименование точек подключения в схеме источника питания фирмы DTK на рис. 2.16 указано в скобках.

Схема включения справедлива для случая, когда напряжение U больше уровня U. В простейшем случае включения стабилизатора TL431 используются токозадающий резистор R1 и резистивный делитель на R2, R3, определяющий уровень стабилизированного напряжения на катоде прибора. Значение выходного напряжения Uct зависит от номиналов резисторов, подключенных к входу опорного напряжения, и определяется из соотношения:

Uст = Uоп(1 + R2 / R3) + Iоп R 2 (2.2)

Резистивный делитель напряжения, определяющий уровень выходного напряжения стабилизатора TL431, на схеме, приведенной на рис. 2.2, составлен из сопротивлений R51, R49 и R50. При номиналах резисторов, указанных на принципиальной схеме рис. 2.2, уровень напряжения на катоде стабилизатора ZIC1, электрод VO, составляет ~2,8 В. Напряжение на базе транзистора Q11 имеет примерно такое же значение.