Дипломная работа: Проектирование управляющей ИМС для импульсных источников питания по типу TDA16846
5 - цепи вторичных напряжений.
Рисунок 1.1 - Структурная схема импульсного источника питания
Напряжение первичной электросети поступает через помехоподавляющий фильтр (1) на выпрямитель (2), откуда после выпрямления и сглаживания пульсаций C-фильтром поступает на ключевой каскад (3) и схемы управления (4). Ключевой каскад преобразует постоянное напряжение в импульсное высокой частоты, которое через импульсный трансформатор поступает на выпрямители выходных цепей (5). Благодаря высокой рабочей частоте габариты и масса у импульсного трансформатора гораздо меньше, чем у трансформатора такой же мощности, работающего при частоте 50 Гц.
Выпрямительная секция ИИП, как правило, выполняется по мостовой схеме. На входе выпрямителя устанавливается LC-фильтр, назначение которого — ослабить уровень помех, поступающих от источника питания в сеть.
На выходе выпрямителя ставится C-фильтр служащий для сглаживания пульсаций.
Необходимо отметить, что через конденсатор фильтра протекает также импульсная составляющая тока транзисторов преобразователя, работающего на частоте 20 — 100 кГц. Как правило, конструкция высоковольтных электролитических конденсаторов не обеспечивает достаточно малого полного сопротивления на этих частотах, поэтому конденсаторы могут перегреваться из-за протекания высокочастотных импульсных токов. Для устранения перегрева электролитический конденсатор фильтра обычно шунтируется конденсатором пленочного или керамического типа.
В зависимости от назначения и заданных параметров, ИИП может содержать различные дополнительные блоки и цепи: стабилизаторы напряжений, устройства защиты от перегрузок и аварийных режимов, цепи первоначального запуска, подавления помех и др. Однако определяющим узлом любого ИИП является ключевой преобразователь напряжения и в первую очередь его силовая часть. Выходные каскады преобразователей напряжения можно разделить на два больших класса: однотактные и двухтактные.
Силовая часть однотактного преобразователя может быть выполнена двумя способами, по которым следует различать прямоходовые и обратноходовые преобразователи.
В прямоходовых преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей во вторичной цепи протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в обратноходовых - во время закрытого состояния этого транзистора.
Рассмотрим подробнее работу импульсного источника питания.
Более подробная функциональная схема ИИП приведена на рисунке 1.2 [2].
Рисунок 1.2 - Более подробная функциональная схема ИИП.
Итак, напряжение сети поступает на сетевой выпрямитель (рисунок 1.2) со сглаживающим емкостным фильтром С1-СФ . С конденсатора фильтра выпрямленное напряжение через обмотку W1 трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT1, выполняющего функцию ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное с частотой повторения 20-100 кГц.
Ключевой преобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режиме самовозбуждения. На рисунке 1.3 приведены временные диаграммы преобразователя [2].
Рисунок 1.3 - Временные диаграммы работы преобразователя
В течение времени ΔТ, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1 трансформатора протекает линейно нарастающий ток IИ . В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.
Когда транзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передается в нагрузку через диод VD2.
Изменяя ΔТ, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя, можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят от индуктивности первичной обмотки трансформатора. При оптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в момент открывания транзистора.
Изменять ΔТ можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [2]. Принцип ШИМ (см. рисунок 1.3) состоит в регулировании времени, в течение которого ключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количества накопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянство периода повторений Т и простота реализации.
Рассмотрим случай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает, что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чем обычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличения накопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы в трансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const. Аналогично при уменьшении тока нагрузки.
Из за видимых преимуществ ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИИП. По этой причине другие способы регулировки рассматривать не будем.
Схема запуска. Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИИП самовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50...100А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.
Устройство запуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора в течение нескольких циклов, за время действия которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавно выходит на номинальный режим работы.
В импортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начального открывающего смещения на ключ [2]. В момент подачи питания через резисторы от «+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточное для создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходит нарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителей заперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения, нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равным начальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменению полярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводе обмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диоды импульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором, через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткое замыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После нескольких циклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и больше схема запуска не используется. Во многих импортных ИИП цепь запуска не отключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправности одного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткого замыкания.
Иногда в качестве схемы запуска ИИП применяется генератор на транзисторе [2]. В течение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежного запуска автогенератора, генератор вырабатывает импульсы, которые подаются на базу ключа как начальное смещение и вызывают запуск цикла работы автогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтров заряжаются и автогенератор входит в нормальный режим работы. Иначе схема запуска отключится и ИИП не запустится.
Схема управления. На схемы управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевым транзистором (см. рисунок 1.4) [2].
