Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

Силовые каскады блоков питания для персональных компьютеров строятся по схеме полумостового преобразователя. В классическую схему полумостового преобразователя могут вводиться различные дополнения, обусловленные стремлением разработчиков совместить выполнение различных функций в одной группе элементов. В данном случае первостепенное значение имеет обеспечение начального запуска микросхемы ШИМ управления. В варианте построения силового каскада, осуществляющего начальный запуск, предлагаются модификации базовых цепей транзисторов импульсного усилителя мощности. На рис. 3.10 представлен фрагмент схемы силового каскада, демонстрирующий способ подачи смещения на базы транзисторов от отдельного диодного выпрямителя.

Позиционные обозначения элементов на схеме индивидуальны и действительны только для компонентов, приведенных на рис. 3.10. Схема не содержит полного типового набора компонентов, входящих в состав импульсных усилителей мощности. Представленные элементы предназначены для демонстрации особенностей подобного каскада.

Электропитание силового каскада блока питания производится от выпрямленного напряжения первичной сети. Сетевой выпрямитель для усилителя мощности собран на диодах D1 – D4. Выпрямленное напряжение подается только на соединенные последовательно транзисторы Q1 и Q2 и электролитические конденсаторы фильтра C2 и C3. Смещение на базы транзисторов подается с помощью резистивных делителей. На базу транзистора Q1 напряжение поступает от делителя напряжения, образованного резисторами R3 и R4. Аналогичная цепь для транзистора Q2 сформирована элементами R5 и R6. Резисторы R1 и R7, R2 и R8, установленные в базовых цепях транзисторов, ограничивают ток через переходы база-эмиттер транзисторов Q1 и Q2 соответственно. Для обеспечения подачи питания на делители смещения в схему введен отдельный однополупериодный выпрямитель, включающий в себя диод D5 и конденсатор C1. Резисторы, использованные в делителях, имеют большое сопротивление, ток разряда конденсатора составляет единицы миллиампер, поэтому его номинал может иметь относительно небольшое значение. Например, конденсатор C1 керамический, емкостью 2200 пФ. Согласующий трансформатор T2 содержит три вторичные обмотки, две из них подключены к базовым цепям силовых транзисторов Q1 и Q2. Третья используется для формирования импульса для питания схемы ШИМ преобразователя на начальной стадии подключения схемы к первичной сети. Эта обмотка включена между эмиттером транзистора Q1 и первичной обмоткой силового импульсного трансформатора T1. На схеме показана только одна вторичная обмотка трансформатора T1, хотя их может быть и несколько. Средняя точка вторичной обмотки соединена с общим проводом вторичной цепи. К этой единственной обмотке подключены два диода D6 и D7, образующие двухполупериодный выпрямитель. Выход выпрямителя нагружен на фильтр вторичного канала +12 В, не показанный на рис. 3.10 и сглаживающий фильтр цепи питания микросхемы ШИМ преобразователя и промежуточного усилителя. Нагрузкой промежуточного усилителя является первичная обмотка трансформатора T2, к средней точке которого также подводится напряжение от цепи питания ШИМ микросхемы. Такая компоновка и назначение элементов в базовых цепях транзисторов Q1 и Q2 практически повторяют структуру такого же узла схемы, приведенную на рис. 3.2. Главное отличие схемы, показанной на рис. 3.10, от других заключается в способе подачи постоянного напряжения на резистивные делители напряжения, подключенные к базовым цепям силовых транзисторов. Принципы же получения импульса напряжения для начального питания узла ШИМ полностью идентичны. Номиналы конденсаторов, представленных на схеме, приведенной на рис. 3.10, имеют одинаковые значения с элементами установленными в аналогичных позициях базовой схемы. Максимальное рабочее напряжение конденсаторов C2 и C3 не превышает 200 В, номиналы резисторов имеют следующие значения: R1 и R2 = 2,2 Ом, R3 и R5 = 150 кОм, R4 и R6 = 2,7 кОм, R7 и R8 = 39 Ом, R9 = 22 Ом, R10 = 1,5 кОм.

Варианты начального запуска каскадов ШИМ преобразователя не ограничиваются схемами, использующими особую конструкцию согласующего трансформатора для этих целей. Существуют схемы, в которых применяется дополнительный маломощный трансформатор. Фрагмент одной из таких схем представлен на рис. 3.11.

Дополнительный трансформатор Т1 – это малогабаритный трансформатор, рассчитанный на работу в первичной сети переменного тока с частотой 50 Гц. К его вторичной обмотке подключен двухполупериодный выпрямитель на диодах D5 – D8. Напряжение с выхода выпрямителя фильтруется конденсатором C4 и подается на среднюю точку согласующего трансформатора T3, вывод питания микросхемы ШИМ преобразователя TL494/12. Отрицательный полюс выпрямителя на диодах D5 – D8 соединен с общим проводом вторичной цепи. При включении питания сетевое напряжение выпрямляется и подается на силовой каскад, в конструкции которого не предусмотрено никаких элементов, обеспечивающих формирование импульса для начальной запитки ШИМ микросхемы. Структура базовых цепей усилителя мощности является типичной для каскадов, работа которых регулируется только внешними сигналами. То есть каскад функционирует исключительно в режиме внешнего возбуждения. Сигналы управления усилителем поступают через согласующий трансформатор T3 от ШИМ преобразователя. Начальное питание на ШИМ микросхему и весь каскад промежуточного усилителя поступает от выпрямителя на D5 – D8. Это напряжение появляется на элементах каскада ШИМ преобразователя также после подключения блока питания к сети. После запуска преобразователя на вторичной обмотке силового импульсного трансформатора T2 появляется переменное импульсное напряжение, которое выпрямляется диодами D9, D10 и фильтруется конденсатором C7. Параметры трансформатора T1 выбраны так, что напряжение на выходе выпрямителя на диодах D9 и D10 превышает потенциал, установившийся на выходе выпрямителя на диодах D5 – D8. Выходы выпрямителей на D5 – D8 и D9, D10 соединены между собой через диод D13. Анод D13 подключен к катодам диодов D9 и D10. Напряжение от выпрямителя вторичного канала +12 В подается в цепь питания микросхемы ШИМ преобразователя и промежуточного усилительного каскада. Так как напряжение на выходе выпрямителя вторичного канала +12 В выше положительного потенциала в точке соединения диодов D7 и D8, то диоды D5 – D8 получают обратное смещение и исключаются из работы в схеме. В дальнейшем электропитание поступает на все элементы ШИМ преобразователя от вторичной обмотки трансформатора T2. Трансформатор Т1 используется только для начальной подачи напряжения питания на узел ШИМ. Выйдя в рабочий режим, импульсный преобразователь блокирует работу трансформатора начального запуска. Этим достигается некоторое преимущество в увеличении общего КПД преобразователя. Данная схема может быть модифицирована в части подключения выпрямителя напряжения +12 В к цепи питания промежуточного усилителя. Если из схемы исключить диод D13, то напряжение на узел ШИМ будет поступать только от трансформатора T1. Общая логика работы схемы останется практически без изменений. В течение всего рабочего цикла преобразователя выпрямленное напряжение от D9, D10 будет поступать только на цепи фильтрации выходного напряжения +12 В. Никакого влияния на электропитание узла ШИМ силовой каскад оказывать не будет.

Силовые каскады с дополнительной вторичной обмоткой согласующего трансформатора обязательно содержат резисторы для подачи положительного смещения в базовые цепи усилительных транзисторов. Смещение может быть подано одним резистором, включенным между базой и коллектором транзистора, или с помощью делителя, как это сделано, например, на рис. 3.10. Нижний по схеме резистор делителя может подключаться непосредственно к базовому выводу транзистора или через резистор с типовым номиналом 2,2 Ом. Такая конструкция применяется только в схемах, где начальное питание на ШИМ преобразователь подается после генерации импульса каскадом импульсного усилителя мощности.

В базовых цепях силовых транзисторов по схеме, приведенной на рис. 3.2, установлены резисторы R27 и R29, которые подают положительное смещение на базы Q5 и Q6. Наличие этих резисторов позволяет запустить процесс, который приводит к генерации импульса начального питания ШИМ каскада. Электролитические конденсаторы C13 и C14 используют в качестве форсирующих при открывании и закрывании транзисторов Q5 и Q6. В установившемся режиме элементы базовых цепей выполняют функции, полностью аналогичные подробно рассмотренным в главе 2 применительно к идентичному узлу силового каскада.

Варианты схем базовых цепей для силовых транзисторов усилителей мощности каскадов, работающих только от сигналов внешнего возбуждения, представлены на рис. 3.12.