Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников

• Название: Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
• Автор: Андрей Кашкаров
• Жанр: Хобби и ремесла
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-97060-452-6

В книге рассматриваются современные принципы разработки импульсных преобразователей напряжения и подключения их в системы автономного энергопитания потребителей.

Практическое пособие поможет мастеру-умельцу разобраться в схемотехнике отдельных узлов импульсных источников питания. А знание конструктивных особенностей преобразователей напряжения даст возможность монтировать системы энергопитания, состоящие из современных автономных и нетрадиционных источников питания, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи, а также осуществлять качественный ремонт этих систем.

Книга содержит полезные сведения по импортозамещению популярных радиоэлементов, используемых в мощных импульсных преобразователях напряжения.

Издание для широкого круга читателей.

---

Номиналы балансных резисторов, устанавливаемых параллельно выходным фильтрующим конденсаторам, выбираются так, чтобы обеспечивать нагрузочный ток по каналу на уровне 50 мА.

1.1.4. Выпрямитель и фильтр напряжения

Вернемся к схеме, приведенной на рис. 1.3. Вентилятор подключается к выходу источника стабилизированного напряжения. Последовательно с вентилятором включен токоограничивающий резистор R7. Типовое значение номинала этого резистора составляет 10 Ом при максимальной рассеиваемой мощности 0,5 Вт.

Наибольшее отличие от других схемотехнических решений наблюдается в построении каналов с отрицательными номиналами выходных напряжений. Общий фильтр для двух отрицательных напряжений также выполнен в виде двух Г-образных индуктивно-емкостных фильтров.

К выходу стабилизированного напряжения -12 В через диод D5 подключен интегральный стабилизатор на микросхеме IC1 типа 7905. Схема интегрального стабилизатора для канала -12 В одновременно выполняет роль балансного резистора, обеспечивающего частичный разряд конденсатора С7. Выходное напряжение -5 В параметрического стабилизатора на IC1 дополнительно сглаживается конденсатором СИ.

В схемах, где средняя точка обмотки напряжения +12 В соединена с выходом канала +5 В (такое решение довольно популярно и используется и в схемотехнике многих ИИП), есть некоторые особенности.

Такой вариант включения обмотки (см. рис. 1.4) позволяет применить в выпрямительной схеме канала +12 В диоды Шоттки.

В этих диодах при работе с импульсными напряжениями 50 В происходит возрастание обратных токов, что и диктует необходимость снижения импульсного напряжения на них. При включении выпрямителя согласно схеме, приведенной на рис. 2.4, снижается амплитуда импульсов, воздействующих на выпрямительную схему, до уровня, при котором диоды сборки работают уже достаточно эффективно.

Источниками вторичных импульсных напряжений являются три обмотки Wl, W2 и W3 трансформатора Т. Обмотка W1 используется для получения только напряжения +5 В.

С обмотки W2 снимается импульсное напряжение, из которого после фильтрации получают стабилизированное постоянное напряжение + 12 В. Обе обмотки W1 и W2 нагружены на выпрямительные сборки, состоящие из диодов Шоттки.

Цепи фильтрации импульсного входного напряжения во всех каналах построены на основе индуктивно-емкостных Г-образных фильтров. В канале напряжения +5 В единственным индуктивным элементом в фильтре является одна из обмоток дросселя L1. Все остальные каналы дополнены отдельными дросселями, включенными последовательно с обмотками дросселя групповой стабилизации L1.

Рис. 1.4. Вариант включения обмотки импульсного трансформатора

Выводы комбинированной обмотки W3 присоединяются к катодам обычных импульсных выпрямительных диодов D1-D4. Средняя точка обмотки W3 подключена к общему проводу вторичной цепи питания. Диоды D1 и D4 образуют двухполупериодный выпрямитель канала напряжения -12 В.

Аналогичная выпрямительная схема для канала -5 В выполнена на диодах D2 и D3. Во вторичную цепь введен дроссель L1 групповой стабилизации вторичных напряжений по взаимным магнитным потокам. Несмотря на это, в каждом канале напряжений с отрицательными значениями включены интегральные стабилизаторы на IC1 и IC2. Между входом и выходом каждого интегрального стабилизатора подключаются демпфирующие диоды.

В схемах, где возбуждение популярной микросхемы управления TL494 производится первичным импульсом, напряжение питания этой микросхемы и промежуточного усилителя снимается с выхода выпрямительной схемы канала +12 В. Каскады фильтрации данного напряжения аналогичны приведенным ранее.

Амплитуда импульсов на выходе выпрямителя составляет 60 В. Уровень отфильтрованного постоянного напряжения непосредственно на ШИМ-преобразователе зависит от длительности выпрямленного импульса и промежутка между импульсами так называемой «мертвой зоны». Диапазон изменения постоянного напряжения в данном случае составляет примерно от +25 до +30 В.

1.2. Схемотехника защиты и формирования служебных сигналов

Энергетические характеристики силовых элементов импульсного преобразователя были выбраны, исходя из предположения, что в установившемся режиме работы на предельной мощности они не превысят предельно допустимых норм для данного прибора.

Наиболее критичными являются режимы работы силовых транзисторов.

Полумостовые импульсные преобразователи характеризуются тем, что максимальное напряжение на силовых транзисторах этой схемы равно напряжению питания каскада. Броски напряжения, возникающие в моменты коммутации транзисторов, устраняются включением защитных диодов между коллектором и эмиттером каждого силового транзистора. Такими диодами на принципиальной схеме, приведенной на рис. 1.3, являются D6 и D7.

Существующие нормы рекомендуют применять полупроводниковые приборы в цепях, предельные режимы эксплуатации которых имеют уровень 0,8 от максимального значения тока или напряжения. При выполнении этого требования, как правило, изготовители элементной базы гарантируют надежную работу приборов.

Наиболее критичным для работы силовых элементов (транзисторов) в усилителе мощности оказывается неконтролируемое возрастание нагрузки по вторичным каналам напряжения, которое превышает установленный предельный уровень.

Увеличение нагрузки приводит к росту тока, коммутируемого транзисторами полумостового усилителя мощности.

Процесс неконтролируемого нарастания тока и превышения максимально допустимых значений может быть только следствием неисправности и возникновения экстренной ситуации в нагрузочной цепи. Иногда это может быть обусловлено неправильным использованием преобразователя в режимах, не предусмотренных техническими характеристиками.

Для предотвращения повреждения элементов импульсного преобразователя в схему вводятся каскады, предназначенные для отключения формирователя ШИМ-последовательностей. После остановки работы ШИМ-регулятора прекращается подача управляющих импульсов в силовые цепи. Оба транзистора полумоста «замирают» в закрытом состоянии, их коммутация прекращается.

Защита источника питания от перегрузки по вторичным цепям выполняется остановкой преобразователя. Прекращение коммутации силовых транзисторов вызывает понижение напряжения питания на ШИМ-каскаде.

Если не происходит выгорание сетевого предохранителя, то единственным каскадом, остающимся под напряжением питания, будет усилитель мощности.

Все выходные цепи имеют гальваническую развязку от первичной сети, поэтому в отсутствие импульсных колебаний на входе усилителя мощности напряжения на них будут отсутствовать.

1.2.1. Практические примеры схемотехники защиты ИИП

Существуют различные схемы построения каскадов защиты. Общим для всех схем является то, что их действие вызывает остановку функционирования маломощной схемы ШИМ-регулятора при возникновении перегрузки в выходных цепях. Перегрузка источника питания по каждому каналу проявляется индивидуально. В соответствии с этим строится система блокировки работы ШИМ-преобразователя. В системе защиты учитывается поведение схемы при увеличении нагрузки по сильноточным каналам, то есть +5 и +12 В.

По мере возрастания нагрузки по этим каналам происходит заметное увеличение длительности импульсов управления усилителем мощности. Комплексная система защиты производит слежение за их длительностью.

В качестве датчика контроля длительности управляющих импульсов в схеме, приведенной на рис. 2.2, используется узел, основу которого составляют трансформатор ТЗ и схема на диодах D9 и D10. Первичная обмотка W3 трансформатора ТЗ включена в первичную цепь. Через нее протекает такой же импульсный ток, как и через первичную обмотку силового трансформатора. Вторичные обмотки W1 и W2 этого трансформатора присоединены к анодам диодов D9 и D10, катоды которых подключены к общему проводу вторичной цепи питания. Этими диодами образован двухполупериодный выпрямитель. Вторичные обмотки соединены последовательно.

С точки соединения обмоток снимается сигнальное импульсное напряжение отрицательной полярности, которое сглаживается на фильтре, образованном элементами R19 и С7. Через балансный резистор R12 происходит частичный разряд конденсатора С7 при текущей работе и полный разряд при отключении источника питания от сети.

В процессе работы преобразователя, когда происходит нормальная коммутация силовых транзисторов, на отрицательной обкладке конденсатора С7 накапливается заряд, пропорциональный длительности импульсов. Напряжение с этой обкладки через резистор R14 подается на вывод IC 1/15. Туда же через резистор R13 подводится напряжение вторичного канала источника питания +5 В.