Источник электропитания с бестрансформаторным входом и стабилизирующим преобразователем

В стабилизированном источнике, выполненном по схеме рис. 9.1, функции стабилизации напряжения выполняет преобразователь напряжения (инвертор ВИ). При изменении выходного напряжения сигнал обратной связи, поступающий с устройства управления СУ на инвертор, изменяет длительность импульсов на его выходе. Чаще всего применяется широтно-импульсное регулирование. Сетевой выпрямитель В1 не содержит трансформатора, что существенно уменьшает массу и габариты ИВЭ. Этот выпрямитель выполнен по мостовой схеме. Входной ток такого выпрямителя не содержит постоянной составляющей, поэтому его влияние на сеть минимально. Напряжение на выходе выпрямителя , где - напряжение сети. Сглаживающий фильтр СФ1 представляет собой RC-фильтр с ограничительным резистором R_огр, который ограничивает зарядный ток конденсатора фильтра и определяется исходя и допустимого импульсного тока через диоды выпрямителя.

Рис. 9.1. Структурная схема ИВЭ с бестрансформаторным входом и стабилизирующим преобразователем

Выпрямленное напряжение поступает на однотактный регулируемый (стабилизирующий) преобразователь. Широкое применение однотактных преобразователей на разные уровни мощности обусловлено такими достоинствами, как отсутствие схем симметрирования работы трансформатора, малое число силовых ключей, простота схемы управления.

Гальваническая развязка выходной цепи ИВЭ от входной питающей сети осуществляется трансформатором инвертора. Стабилизация выходного выпрямленного напряжения реализуется в инверторе методом ШИМ.

Принципиальная схема источника электропитания с бестрансформаторным входом на основе стабилизирующего преобразователя приведена на рис. 9.6. Схема питается от сети 220 В, 50 Гц и построена на базе известной микросхемы TDA4605.

Микросхема нормально функционирует в сетевых преобразователях напряжения при изменении входного питающего напряжения от 180 В до 245 В, имеет в своем составе схему включения-выключения дежурного режима, схему защиты от перегрузок. Основные функциональные узлы этой микросхемы показаны на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Функциональные узлы микросхемы TDA4605

Схема детектора пониженного напряжения (ДПН) имеет управляющий вывод 3 (Input for Primary Voltage Monitoring). При Подаче на этот вывод напряжения более 1 В разрешается работа узлов микросхемы. Максимальное значение напряжения на этом выводе не должно превышать 6-7 В. Возможность отключения источника питания замыканием этого вывода на общий провод схемы 4 используется для дистанционного управления включением-выключением бытовой аудио и видеотехники.

Схема стабилизации напряжения состоит из усилителя сигнала ошибки и перегрузки (УОП), стопового компаратора (СК) и логической схемы (ЛС). Сигнал обратной связи, информирующий схему об уровне напряжения на нагрузке, подается на вывод I (Information Input Concerning Secondary Voltage). Схема стабилизации вырабатывает импульсы регулируемой скважности, которые усиливаются по току выходным каскадом с ограничителем тока (ВКТО) и подаются на выход микросхемы через вывод 5 (Output). Ток через этот вывод ограничен значением 1,5 А, напряжение — величиной, составляющей не более 70% от напряжения питания микросхемы.

Схема формирования пилообразного напряжения состоит из внешней частотозадающей RC-цепи, подключаемой к выводу 2 (Information Input Regarding the Primary Current), стартового генератора импульсов (СГИ), блока опорных напряжений (ГОН и МОН), детектора нуля сигнала (ДНС).

Рис. 9.3. Узел формирования пилообразного напряжения и стабилизации

Схема формирования пилообразного напряжения показана на рис. 9.3 и работает следующим образом. В момент начала очередного цикла преобразования схема стартового импульсного генератора (СГИ) вырабатывает стробирующий импульс (линия 5 на рис. 9.3, рис. 9.4), открывающий силовой транзистор. В этот же момент размыкает внутренний коммутатор (КлСГИ) и начинается заряд конденсатора через резистор R_г. Заряд сопровождается увеличением напряжения выводе «2» микросхемы, начиная от значения U_min. Это напряжение сравнивается с напряжением обратной связи U_ос. Когда оба напряжения станут равными, компаратор (К) формирует импульс, закрывающий силовой транзистор (линия 3 на рис. 9.3, рис. 9.4). В этом случае в силовом трансформаторе должна измениться полярность напряжения на обмотках. Момент изменения полярности фиксируется детектором нуля (ДНС). Детектор выдает стробирующий импульс (линия 4 на рис. 9.3, рис. 9.4), который поступает на схему логики (ЛС), разрешая новое открытие транзистора, которое произойдет не тотчас же, а в следующем такте. Итак, транзистор остается закрытым, а напряжение на конденсаторе продолжает расти. Когда оно достигнет значения U_max, схема СГИ вырабатывает стробирующий импульс (линия 5 на рис. 9.3, рис. 9.4), который одновременно сбросит напряжение конденсаторе до U_min и откроет ключевой транзистор. Начнется новый цикл работы.

Рис. 9.4. Графики, поясняющие работу узла стабилизации

Можно заметить, что рабочая частота преобразователя определяется не только параметрами времязадающей цепи R_гС_г, но и разностью напряжений (U_max - U_min). При перегрузке, которая может возникнуть при обрыве нагрузки, данная схема снизит коэффициент заполнения управляющих импульсов до минимально возможной величины, повысит рабочую частоту в несколько раз. Этот режим реализуется снижением опорного напряжения U_max. Обратите внимание: рабочая частота преобразователя лежит в пределах 20...30 кГц, а защитная час­тота примерно равна 200 кГц.

Схема питания и защиты от короткого замыкания (КЗ) вторичной обмотки также реализована в составе микросхемы. Режим короткого замыкания не опасен для силового транзистора обратноходового преобразователя, поскольку фазы накачки энергии и передачи ее в нагрузку разнесены во времени. Однако энергия в режиме КЗ будет рассеиваться на малом сопротивлении вторичной обмотки и выпрямительном диоде, что приведет к их разогреву. Чтобы исключить режим КЗ, в микросхему был введен блок защиты от короткого замыкания. Рассмотрим принцип работы этого защитного блока. Питание микросхемы осуществляется через вывод 6 (Supply Voltagе Input), и если напряжение на этом выводе падает ниже 7,25 В, микросхема переходит в режим импульсного включения с периодом, равным приблизительно 1 с. Длительность этого периода зависит от номиналов элементов (конденсатора и резистора), подключенных к названному выводу. Поскольку обычно микросхема питается от дополнительной обмотки трансформатора, короткое замыкание силовой обмотки мгновенно отражается на напряжении, питающем микросхему. Максимально допустимое значение напряжения питания микросхемы составляет 16,5 В при потребляемом токе в режиме запуска до 10 мА. Среднее значение потребляемого тока в рабочем режиме составляет 11 мА. Частота преобразования выбрана около 25 кГц.

Принципиальная схема flyback-преобразователя на базе TDA4605 приведена на рис. 9.5.

Входной выпрямитель содержит фильтр R1С1. В момент включения преобразователя в сеть конденсатор С1 разряжен, и он не может зарядиться мгновенно до амплитудного значения сетевого на­пряжения. Поэтому в начальный момент времени через диоды фильтра может протекать неограниченно высокий ток. Для ограничения тока через диоды в схему введен резистор R1. Этот элемент, конечно, ухудшает КПД схемы, поскольку в процессе работы на нем рассеивается дополнительная мощность, но отказываться от этого резистора ни в коем случае нельзя!

Технические условия на выпрямительные диоды разрешают при работе на емкостную нагрузку увеличить однократный импульс тока в 1,57 раза. В этом случае прямой импульсный ток через диоды при включении схемы составит 66 А.

В обычных низкочастотных трансформаторных схемах предохранитель защищает первичную обмотку транс форматора от перегорания. В импульсных силовых схемах предохранитель в силу инерционности своего срабатывания не может защитить источник питания от выхода из строя, поскольку аварийные процессы в нем развиваются очень быстро. Однако этот предохранитель в случае пробоя силового транзистора предотвращает возгорание трансформатора. В схемах, работающих от сети, всегда необходимо предусматривать сетевой предохранитель для обеспечения пожаробезопасности импульсного источника.