Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

Результатом работы микросхемы IC1 является формирование последовательностей импульсов управления силовым каскадом блока питания. Схемотехническое решение подключения выходного транзисторного каскада ШИМ преобразователя полностью аналогично варианту, описанному в главе 2. Эмиттеры выходных транзисторов микросхемы TL494 подключены к общему проводу. Импульсные сигналы снимаются с их коллекторов через выводы IC1/8 и IC1/11 микросхемы TL494. Коллекторной нагрузкой выходных транзисторов IC1 являются резисторы R22 и R24 с одинаковыми сопротивлениями, равными 3,9 кОм, а также базовые цепи транзисторов Q3 и Q4, входящих в состав согласующего каскада. В каскаде промежуточного усилителя применяются типовые транзисторы 2SC945. Первичные обмотки W1 и W2 трансформатора T2, соединенные последовательно, являются нагрузками для транзисторов промежуточного усилителя. Начала обмоток трансформатора T2 на принципиальной схеме, представленной на рис. 3.2, отмечены точками. Электропитание цепей промежуточного усилителя осуществляется от того же источника, что и микросхемы IC1. Резисторы R22 и R24 подключены к накопительному конденсатору фильтра питания C17. Напряжение питания в коллекторные цепи транзисторов Q3 и Q4 подается через последовательно соединенные резистор R23, диод D11 и обмотки W1, W2 трансформатора T2. Диод D11 катодом подключен к точке соединения первичных обмоток трансформатора T2. Вид импульсных сигналов на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 аналогичен представленному на рис. 2.10. Импульсные последовательности одинаковы, но импульсы положительной полярности каждой из них сдвинуты по времени относительно друг друга. Эмиттеры транзисторов Q3 и Q4 объединены и подключены к последовательно соединенным диодам D24 и D25. Параллельно диодам установлен электролитический конденсатор C12. Напряжение на эмиттерах транзисторов Q3 и Q4 поддерживается на уровне +1,6 В. Наличие постоянного смещения эмиттеров создает условия для наиболее эффективного переключения транзисторов под воздействием импульсов, подаваемых с выходов микросхемы IC1/8 и IC1/11. На базы транзисторов Q3 и Q4 импульсные сигналы подаются с коллекторов транзисторов, входящих в состав микросхемы IC1. Напряжение насыщения у них составляет 0,3–0,4 В. Импульс напряжения низкого уровня, появляющийся на базе любого из транзисторов Q3 и Q4, устанавливает на переходе эмиттер-база обратное смещение ~1,2 В, что способствует быстрому рассасыванию избыточных зарядов в базе транзистора промежуточного усилителя и его ускоренному переключению.

Импульсы управления на коллекторах Q3 и Q4 имеют положительную полярность. Первичная обмотка W2 трансформатора T2 синфазна вторичным обмоткам W4 и W3. Обмотки трансформатора T2 включены таким образом, что импульсное напряжение на обмотках W1 и W5 противофазно напряжению на W2. Следовательно, при появлении на коллекторе транзистора Q3 импульса положительной полярности, открывающий импульс наблюдается и в базовой цепи транзистора Q6. Спадом импульса заканчивается временной интервал активной работы Q6, и в этот момент транзистор Q6 переходит в закрытое состояние.

Выходные транзисторы микросхемы IC1 не имеют определенных обязательных подключений эмиттерных и коллекторных электродов. Это обстоятельство позволяет изготовителям блоков питания применять разнообразные конфигурации при построении промежуточных усилителей. Для дополнительного усиления импульсных сигналов могут использоваться внешние по отношению к IC1 транзисторы, аналогичные приведенным на схемах рис. 2.2 и 3.2. Но это также не является обязательным; существуют схемы, в которых управляющие сигналы подаются от ШИМ преобразователя на согласующий трансформатор без дополнительного усиления. Применение согласующего трансформатора для передачи импульсных сигналов от схемы управления на силовые элементы преобразователя является универсальным решением. Такой подход позволяет обеспечить гальваническую развязку узла управления, подключенного к вторичной цепи питания, и осуществить преобразование сигнала управления по току. Параметры первичных обмоток согласующего трансформатора T2 определяются напряжением питания каскада промежуточного усилителя, а также схемой подключения этих обмоток к активным элементам каскада. Требования к характеристикам вторичных обмоток трансформатора практически не изменяются у различных модификаций импульсных источников питания с внешним возбуждением силового полумостового каскада.

Рассмотрим три варианта схем промежуточных усилителей, встречающихся в источниках питания для компьютеров типа AT/XT.

На рис. 3.5 представлен фрагмент схемы промежуточного усилителя, выполненный с использованием пары внешних транзисторов.

Особенностью данной схемы является подключение дополнительных транзисторов Q1 и Q2 каскада промежуточного усилителя к единственной первичной обмотке согласующего трансформатора Т. Начала обмоток трансформатора Т в данном примере показаны условно точками. Непременное условие, которое должно соблюдаться в соответствующей схеме, – это подключение вторичных обмоток согласующего трансформатора к транзисторам Q1 и Q2.

Коллекторы выходных транзисторов VT1 и VT2 микросхемы TL494 подключены к шине источника питания, а к их эмиттерным электродам присоединены резисторы R1 и R3 соответственно. В данной конфигурации выходные транзисторы микросхемы TL494 работают в режиме эмиттерных повторителей. При таком включении фазы импульсных сигналов на эмиттерах и базах VT1, VT2 совпадают. Форма сигналов на эмиттерах выходных транзисторов соответствует, показанным на диаграммах 7 и 8 (см. рис. 2.8). Резисторы R1 и R2 последовательно подключены к эмиттеру VT1 и образуют делитель, к средней точке которого подключена базовая цепь внешнего усилительного транзистора Q2. Аналогичная цепь образована резисторами R3, R4 и подключена к VT2. Средняя точка второго делителя соединяется с базовой цепью транзистора Q1. Структура и элементы усилительных каскадов абсолютно идентичны.

Эмиттеры выходных транзисторов TL494 соединены через резисторы с общим проводом. Наличие резисторов в эмиттерных цепях VT1 и VT2 является фактором увеличения скорости срабатывания активных элементов, входящих в состав импульсного усилителя. Соотношение сопротивлений резисторов в делителях выбирается таким образом, чтобы уровень напряжения на базах Q1 и Q2 оказался достаточным для перевода транзисторов промежуточного усилителя в состояние насыщения. Транзисторы Q1 и Q2 открываются, когда в эмиттерных цепях VT1 и VT2 действует импульс высокого уровня.

Уровни сигналов на выводах 7 и 8 микросхемы практически совпадают со значениями напряжений на выходах логических элементов DD5 и DD6 (см. рис. 2.7). Импульсы управления подаются на базы транзисторов Q1 и Q2 через токозадающие резисторы R5, R6 и форсирующие конденсаторы С1 и С2, подключенные параллельно резисторам. Конденсаторы C1 и C2 способствуют ускоренному рассасыванию избыточных зарядов в базах транзисторов Q1 и Q2 при изменении полярности входного напряжения. На рис. 3.6 представлены временные диаграммы импульсных сигналов на обоих выводах конденсатора C1. Верхняя диаграмма отражает вид импульсов на делителе из резисторов R3 и R4. На средней диаграмме показана форма сигнала непосредственно на базе транзистора Q2. Отрицательные выбросы на второй диаграмме, появляющиеся по спаду положительного импульса, обусловлены действием конденсатора в базовой цепи. Форма импульсных сигналов на конденсаторе C2 полностью аналогична. На нижней диаграмме приведена форма импульсов на коллекторах Q1 и Q2.

На диаграммах 7 и 8 (см. рис. 2.8) активный временной интервал воздействия на силовые транзисторы преобразователя представлен импульсами высокого уровня. Интервалы нулевого напряжения между ними – это паузы. Примем условно, что на диаграммах 7 и 8 показаны последовательности импульсов, формируемые на выводах TL494/9 и TL494/10 соответственно. Действие импульсов высокого уровня на выводах TL494/9,10 сдвинуто по времени. Паузы же, представленные нулевыми уровнями, перекрываются между собой. Если на одном выводе устанавливается высокий уровень, то на другом – обязательно низкий. Сигнал высокого уровня, пройдя через эмиттерный делитель, попадает в базовую цепь внешнего транзистора и открывает его. Эмиттеры дополнительных транзисторов Q1 и Q2 соединены с общим проводом, поэтому импульс высокого уровня переводит их в состояние насыщения. Существует три рабочих фазы в переключении транзисторов Q1 и Q2. Причем состояние элементов, соответствующее начальным условиям работы схемы, в течение полного рабочего цикла повторяется дважды. Первая фаза начинается тогда, когда на базах обоих транзисторов действуют напряжения низкого уровня. В это время оба транзистора находятся в закрытом состоянии. Ток через них не протекает. Если параметры всех элементов транзисторных схем одинаковы, то потенциалы на коллекторах Q1 и Q2 также равны между собой. Следовательно, никакой разности потенциалов на выводах первичной обмотки W1 трансформатора T не будет. Ток через нее не протекает, магнитного потока не создается, и на обеих вторичных обмотках W2 и W3 устанавливаются нулевые уровни напряжения. В дальнейших рассуждениях сделано предположение о том, что, говоря о напряжении на вторичной обмотке, имеется в виду вывод обмотки, подключенный к базе силового транзистора. Значение напряжения на выводе, соединенном с базовой цепью силового транзистора, указывается относительно второго вывода этой же обмотки.

Вторая фаза работы усилительной схемы начинается с момента поступления на базу Q1 импульса высокого уровня. Фронтом импульса высокого уровня транзистор Q1 переводится в открытое состояние. Вывод первичной обмотки W1 трансформатора Т, соединенный с коллектором Q1, через малое сопротивление этого открытого транзистора оказывается подключенным к общему проводу вторичной цепи питания. В течение всего времени действия импульса высокого уровня на базу транзистора Q1 второй усилительный транзистор, то есть Q2, остается в состоянии отсечки. Поэтому второй вывод первичной обмотки W1 трансформатора T подключен к шине питания через сопротивление резистора R7. Выводы первичной обмотки трансформатора оказываются под разными потенциалами. Через эту обмотку протекает ток, который создает магнитный поток в сердечнике трансформатора T. На вторичных обмотках наводится ЭДС, форма которой повторяет сигнал, поданный на первичную обмотку. Так как переключающим сигналом является импульс, то и на вторичных обмотках появляется импульс напряжения. В результате появления низкого уровня напряжения на коллекторе транзистора Q1, на базе Q3 возникнет положительный скачок, а на базе Q4 появится спад напряжения отрицательной полярности. Транзистор Q3 будет открываться, а на базу транзистора Q4 будет воздействовать отрицательный потенциал, повышающий его степень закрывания.