Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Как и в предыдущем примере схемы усилительного каскада, идентичность параметров плеч усилителя гарантирует симметричность циклов перемагничивания сердечника согласующего трансформатора и исключение его насыщения. Небольшое изменение магнитных характеристик сердечника может наблюдаться при работе микросхемы TL494 в циклах устранения отклонений выходных напряжений от номинальных уровней. В этом случае импульсы, воздействующие на транзисторы VT1 и VT2 и определяющие время протекания токов через каждую из обмоток трансформатора, будут иметь несколько различную длительность. Если текущее небольшое перемагничивание сердечника вызвано компенсацией повышения выходного уровня вторичного напряжения, то впоследствии при устранении понижения выходного уровня напряжения будет происходить противоположное перемагничивание магнитопровода. То есть усредненный баланс намагниченности будет соблюдаться.
Принципы функционирования схемы, представленной на рис. 3.7, близки или аналогичны логике работы промежуточного усилителя, входящего в состав схемы по рис. 3.2. В базовой схеме применяются внешние дополнительные транзисторы, а также установлен резистор, ограничивающий ток, проходящий через эти транзисторы. Еще одной особенностью схемой является то, что в течение паузы между импульсами управления через транзисторы Q3 и Q4 (см. рис. 3.2) протекают токи и эти транзисторы находятся в состоянии насыщения. Управляющий импульс переводит один из транзисторов в закрытое состояние. Порядок намотки первичной и вторичных обмоток согласующего трансформатора на обеих схемах идентичен.
На рис. 3.8 показан фрагмент схемы промежуточного усилителя, которая используется достаточно редко, но как один из вариантов построения подобного блока имеет смысл детально рассмотреть принцип ее работы.
Рис. 3.8. Фрагмент схемы промежуточного усилителя (вариант 3)Схема выполнена на основе двух согласующих трансформаторов Т1 и Т2, каждый из них используется для управления только одним силовым транзистором преобразователя. Первичные обмотки согласующих трансформаторов состоят из двух полуобмоток, точка соединения которых подключена к шине питания. Первичные полуобмотки W1 и W1' трансформаторов T1 и T2 включены между коллекторами транзисторов и шиной питания без промежуточных токозадающих резисторов. Вторая половина каждой первичной обмотки имеет соединение с общим проводом через диод D2 и D1 соответственно. По постоянному току диоды включены с обратным смещением. Параметры намотки и магнитные свойства трансформаторов схемы идентичны. Для примера достаточно рассмотреть процессы, протекающие в усилителе, выполненном на VT1. Все описание будут справедливо для узла на VT2 с учетом временного сдвига процессов.
В моменты пауз между импульсами управления на коллекторах VT1 и VT2 устанавливаются потенциалы, равные напряжению питания каскада. В течение пауз токи через обмотки W1 и W1' не протекают, транзисторы закрыты. Импульс управления высокого уровня открывает выходной транзистор VT1 микросхемы TL494, напряжение на нем спадает до уровня насыщения. Выводы обмотки W1 оказываются под разными потенциалами. В течение действия импульса по обмотке протекает ток, создающий магнитный поток в сердечнике трансформатора. Происходит накопление энергии в индуктивном элементе. Первичные полуобмотки каждого из трансформаторов имеют между собой гальваническую и магнитную связь. Благодаря наличию магнитной связи по окончании действия управляющего импульса на транзистор VT1 на выводе обмотки, подключенной к катоду диода D2, возникает импульс отрицательной полярности. Диод открывается. Через него начинает протекать ток, который замыкается через источник питания каскада, конденсаторы, установленные для фильтрации напряжения питания, и полуобмотку W2. В течение временного интервала протекания этого тока происходит возврат энергии, накопленной в трансформаторе. Токи, протекающие через обмотки W1 и W2, взаимно противоположны. Магнитные потоки также имеют встречную направленность. То есть намагничивание сердечника, которое происходит во время прохождения тока через W1, компенсируется магнитным потоком, возникающим под действием тока, протекающего через W2. Спадающий по мощности магнитный поток компенсации действует в промежутке между двумя импульсами открывания VT1.
Во время рабочего открывания транзистора VT1 для формирования импульса положительной полярности, воздействующего на базу силового транзистора, подключаемого к вторичной обмотке W3, ток протекает через обмотку W1 трансформатора T2. По мере закрывания транзистора VT1 импульс положительной полярности на обмотке W3 трансформатора Т2 прекращается. Время активной работы силового транзистора, подключенного к обмотке W3, заканчивается, и он закрывается. Трансформаторы T1 и T2 не оказывают влияния на работу друг друга. Импульсы, действующие на вторичной обмотке W3, имеют вид двухуровневого сигнала в отличие от схем с использованием единого трансформатора для управления силовыми транзисторами, рассмотренными выше. Каждый силовой транзистор открывается синхронно с транзистором, установленным в его канале управления.Все описанные выше процессы в микросхеме IC1 и промежуточном усилителе протекают в установившемся режиме, когда напряжения питания каскада управления имеют номинальное значение. Однако в начальный момент запуска ШИМ преобразователя каскад управления выводится в рабочий режим с помощью специальной схемы, обычно называемой схемой «медленного» (или «плавного») запуска. Необходимость применения особых мер по «медленному» запуску схемы управления обусловлено рядом причин.
Наиболее существенный момент в этом смысле состоит в том, что в момент подключения источника питания к сети все его емкости находятся в разряженном состоянии. Начальный бросок тока по цепи первичного питания, возникающий при заряде конденсаторов сетевого фильтра, нейтрализуется терморезистором. Конденсаторы во вторичной цепи источника также разряжены и в начальный момент представляют собой КЗ, то есть большую нагрузку. Силовые транзисторы после включения питания работают в форсированном режиме до тех пор, пока не произойдет заряд конденсаторов. По мере заряда токовая нагрузка на транзисторы снижается. Схема «медленного» запуска предназначена для постепенного выведения силового каскада в штатный режим работы. Период включения искусственно затягивается для обеспечения безопасного функционирования силовых элементов импульсного преобразователя. В процессе «медленного» запуска на начальном этапе работы преобразователя напряжения происходит принудительное ограничение длительности импульсов управления, воздействующих на силовые транзисторы.
Рассматривая схему, приведенную на рис. 3.2, отметим, что после подключения источника к первичному питанию происходит формирование напряжения питания всего каскада ШИМ преобразователя, включая промежуточный усилитель на транзисторах Q3 и Q4. Напряжение питания подается по цепи, подключенной к выводу IC1/12 микросхемы TL494. Появление напряжения в этой точке инициирует работу внутренних каскадов микросхемы IC1. Запускается генератор пилообразного напряжения, внутренним стабилизатором на выводе IC1/14 формируется опорное напряжение питания +5 В. Между выводами IC1/12 и IC1/14 включен конденсатор C6. В начальный момент после включения схемы конденсатор не заряжен и представляет собой малое сопротивление. При появлении напряжения на IC1/14 обе обкладки конденсатора C6 оказываются под одинаковым положительным потенциалом. Дальнейшее развитие процесса включения микросхемы удобно проследить с помощью диаграмм напряжения, приведенных на рис. 3.9. Диаграммы показывают состояние внутренних элементов микросхемы IC1.
Рис. 3.9. Диаграммы напряжений, иллюстрирующие процесс «медленного» запуска
На диаграмме 1 приведена форма напряжений, действующих на входах внутреннего компаратора DA2 микросхемы IC1, функциональная схема которой изображена на рис. 2.7. Пилообразное напряжение действует на его инвертирующем входе. Линейно возрастающее напряжение подается на неинвертирующий вход компаратора от внутреннего усилителя ошибки на DA3. Сначала напряжения всех вторичных цепей равны нулю. Поэтому на входе IC1/1 установлено также нулевое напряжение. После появления питания на IC1 резисторным делителем из R9 и R10 на вход IC1/2 подается положительный потенциал. Соотношение потенциалов на входах IC1/1 и IC1/2 таково, что напряжение на выходе внутреннего компаратора DA3 равно нулю. По мере передачи энергии во вторичную цепь происходит постепенный заряд конденсаторов в выходной цепи канала +5 В. Повышение уровня напряжения на выходе DA3 является следствием нарастания положительного потенциала на входе IC1/1. Внутренним компаратором DA2 производится сравнение входных напряжений. Результирующий выходной импульсный сигнал представлен на диаграмме 2. Рост линейного напряжения на его неинвертирующем входе сопровождается увеличением длительности положительных импульсов на выходе компаратора, с которого они поступают на первый вход внутреннего логического элемента DD1.
Появление положительного потенциала на выводе IC1/4 и его постепенный спад показаны на диаграмме 3. Вход IC1/4 является неинвертирующим входом внутреннего компаратора «мертвой» зоны DA1. На его инвертирующий вход подается пилообразное напряжение. Форма результирующего сигнала, появляющегося на выходе DA1, отражена на диаграмме 4. Этот сигнал подается на второй вход логического элемента типа ИЛИ. Если в это время хотя бы один из входных сигналов также будет иметь высокий потенциал, напряжение на его выходе примет высокий логический уровень. Форма сигнала на выходе логического элемента DD1 показана на диаграмме 5. Видно, что от появления питающего напряжения питания на IC1 до момента T длительность положительных импульсов на выходе DD1 определяется работой ШИМ компаратора DA2. Начиная с момента T, после значительного спада напряжения на входе IC1/4 на выход DD1 поступают положительные импульсы, формируемые компаратором мертвой зоны DA1. При этом все временные параметры импульсной последовательности, действующей на входе цифрового тракта микросхемы IC1, задаются рабочими характеристиками внутреннего усилителя ошибки DA3 и внутреннего компаратора DA2. Диаграммы 6 и 7 демонстрируют форму импульсов на входах внутреннего триггера DD2. Последние две диаграммы показывают вид импульсных последовательностей, действующих на коллекторах транзисторов Q3 и Q4 промежуточного усилителя. Длительность положительных импульсов управления увеличивается постепенно, что видно из диаграмм 8 и 9. Происходит плавное наращивание мощности сигнала управления и плавное нарастание напряжений вторичных цепей. Передача управления от компаратора «мертвой зоны» DA1 тракту усилителя ошибки осуществляется тогда, когда конденсаторы вторичных цепей уже заряжены и требуется передача энергии для поддержания уровня этого заряда.
