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.

---

Согласно функциональной схеме, представленной на рис. 1.5, вывод IC 1/15 является инвертирующим входом внутреннего усилителя ошибки DA4 ШИМ-преобразователя. Выходы внутренних усилителей DA3 и DA4 микросхемы TL494 объединены по схеме монтажного ИЛИ через диоды развязки. Неинвертирующий вход внутреннего усилителя DA4 (вывод IC 1/16) подсоединен к общему проводу.

Внутренний усилитель DA4 включен в режиме компаратора напряжения. Компаратор производит сравнение потенциалов на своих входах. В зависимости от их соотношения выходное напряжение принимает значения низкого или высокого уровня, быстро минуя промежуточные стадии переключения. Пока напряжение на выводе IC1/15 положительное, выход усилителя DA4 имеет низкий уровень напряжения, которым устанавливается обратное смещение на диоде D2. В таком режиме этот усилитель не оказывает влияния на работу ШИМ-компаратора DA2 и усилителя ошибки, выполненного на усилителе DA3.

Рис. 1.5. Функциональная блок-схема

Когда напряжение на входе IC 1/15 понижается до отрицательного уровня, происходит изменение состояния выхода DA4. На нем устанавливается положительное напряжение, практически равное по величине напряжению питания этого усилителя.

Происходит открывание диода D2, и положительное напряжение поступает на неинвертирующий вход ШИМ-компаратора DA2. Этим положительным напряжением запирается диод D1.

Таким образом, отключается внутренний усилитель ошибки на DA3. На выходе внутреннего компаратора DA2 появляется устойчивый положительный потенциал, являющийся запрещающим для работы внутреннего логического элемента на DD1. Через элемент DD1 прекращается подача импульсов на цифровой тракт микросхемы IC1, и, следовательно, выработка импульсов на выходных контактах ШИМ-преобразователя останавливается.

Делитель напряжения образован резисторами R13 и R14, подключенными к выводу IC 1/15. Один вывод делителя соединен с источником положительного напряжения вторичного канала +5 В, а второй — с источником отрицательного напряжения, формируемого на конденсаторе С7. На конденсатор С7 подается выпрямленное и отфильтрованное напряжение, источником которого являются вторичные обмотки трансформатора ТЗ. Уровень напряжения на отрицательной обкладке конденсатора С7 пропорционален длительности импульсов, формируемых ШИМ-преобразователем.

Время нахождения силовых транзисторов усилителя мощности в активном состоянии, а, следовательно, и длительность импульсов зависят от уровня нагрузки вторичной цепи. Повышение нагрузки вызывает увеличение интервалов, в течение которых транзисторы находятся в открытом состоянии. При снижении нагрузки этот интервал уменьшается. Косвенное слежение за уровнем нагрузки по вторичной цепи проводится с помощью контроля за напряжением на конденсаторе С7. Изменение напряжения на выводе IC 1/15 является следствием вариации потенциала на конденсаторе С7.

Повышение нагрузки вторичной цепи вызывает рост отрицательного напряжения на С7, которое через резистор R14 передается на IC 1/15. Когда отрицательная составляющая напряжения в резисторном делителе на R13 и R14 начинает преобладать над положительной, потенциал на IC1/15 становится отрицательным. Это вызывает переключение внутреннего компаратора DA4 микросхемы ШИМ-преобразователя и полную блокировку работы каскада управления.

Внимание, важно!

Таким образом, на базе трансформатора ТЗ собран узел защиты источника питания от перегрузки по основным каналам импульсного источника питания. Оценка уровня нагрузки проводится по ширине импульсов, коммутируемых силовыми транзисторами полумостового усилителя мощности.

Описанный узел может выполнять защитные функции только по основным каналам вторичных напряжений, где перегрузка вызывает заметное изменение интервалов импульсов. Вариации нагрузки, подключенной к относительно слаботочным каналам отрицательных напряжений, такого влияния на силовой каскад оказать не могут. Поэтому для слежения за состоянием уровней напряжения по этим каналам используется отдельный электронный узел, который выполнен на основе транзистора Q1.

1.2.2. Формирование и контроль импульсов для схемы защиты

Контроль осуществляется по отрицательным каналам напряжения и вторичной цепи +12 В. Вторичные каналы подключаются к эмиттерной цепи транзистора Q1. Выход канала +12 В соединяется с эмиттером Q1 через стабилитрон D1. Напряжение -5 В подводится через диод D2, выходное напряжение -12 В подключается к делителю, состоящему из резисторов R1-R3. Транзисторный каскад защиты через диод D4 подсоединен к выводу IC 1/4 — неинвертирующему входу внутреннего компаратора DA2 микросхемы ШИМ-преобразователя.

Действие механизма защиты направлено на увеличение потенциала этого входа в случае возникновения внештатной ситуации в нагрузочных цепях вторичных каналов.

Если напряжение на неинвертирующем входе DA1 превысит уровень пилообразного напряжения, действующего на втором входе компаратора, произойдет остановка формирователя ШИМ-последовательностей на выходах IC1.

Возрастание напряжения на IC 1/4 допускается только во время действия дестабилизирующих факторов в нагрузочных цепях. Во время нормального рабочего цикла преобразователя напряжение на этом входе не должно увеличиваться и вносить изменения в работу источника питания.

Уровень напряжения на IC 1/4 определяется резистивным делителем из R6 и R16 за вычетом напряжения, равного падению напряжения на диоде D4, а также состоянием переходов коллектор-эмиттер транзисторов Q1 и Q2. Резистор R6 подключен к источнику опорного напряжения схемы IC 1. Транзисторы Q1 и Q2 соединены коллекторными электродами по схеме ИЛИ. Постоянное положительное смещение в базовую цепь транзистора Q2 не подается. В течение рабочего цикла этот транзистор остается закрытым и на уровень смещения на входе IC 1/4 влияния не оказывает. Регулировка потенциала производится схемой на Q1.

Для обеспечения процесса формирования импульсных последовательностей микросхемой IC1 на коллекторе Q1 должно устанавливаться напряжение, близкое к потенциалу общего провода либо с отрицательным уровнем.

Такой режим транзистора поддерживается, если в его эмиттерной цепи напряжение имеет отрицательный уровень.

База транзистора Q1 подключена к общему проводу, поэтому управление проводится по эмиттерному электроду. Отрицательным напряжением на эмиттере транзистор Q1 переводится в проводящее состояние или насыщение. В этом случае напряжение на его коллекторе также имеет низкий уровень и шунтирует положительный потенциал, создаваемый резистивным делителем на R6 и R16. Отрицательное смещение на эмиттере Q1 устанавливается резистивным делителем. Резистор R2 в этом делителе подсоединен непосредственно к выходу канала -12 В. В точке соединения резистора R2 и катода диода D2 напряжение имеет значение -5,8 В.

При выбранном соотношении номиналов резисторов R1 и R3 транзистор Q1 находится в режиме насыщения, и напряжение на его эмиттере обусловлено открытым переходом база-эмиттер и равно примерно -0,8 В.

Следовательно, напряжение на коллекторе имеет уровень, близкий к потенциалу общего провода.

Напряжение +12 В не оказывает влияния на формирование напряжения на эмиттерном электроде, так как стабилитрон D1 выбирается с напряжением стабилизации 14–16 В. Если во вторичной цепи происходит КЗ по одному из каналов с отрицательным номиналом, то напряжение на эмиттере будет повышаться и приблизится к уровню общего провода. Если КЗ произойдет в канале -5 В, то на катоде диода D2 напряжение составит -0,7… -0,8 В. При этом на эмиттере Q1 потенциал будет иметь уровень примерно -0,2…-0,4 В, что недостаточно для перевода транзистора в активный режим.

Короткое замыкание напряжения -12 В вызовет блокировку диодом D2 подачи напряжения -5 В в эмиттерную цепь транзистора Q1, так как диод находится под воздействием потенциала, вызывающего обратное смещение p-n-перехода. В обоих случаях замыкания транзистор Q1 будет закрываться, это вызовет и рост напряжения на его коллекторе. Увеличение напряжения передастся на вывод IC 1/4, к которому подключен резистор R16. Значение сопротивления R16 в несколько раз превышает номинал R6, поэтому основное падение напряжения будет именно на R16, то есть на выводе IC 1/4. Если напряжение на этом выводе превысит уровень +3 В, то произойдет блокировка цифрового тракта микросхемы IC1 и генерация импульсов на выводах IC 1/8,11 прекратится.

Вторичные обмотки силового импульсного трансформатора выполняются проводами с различным сечением.

Сечение провода обмоток маломощных каналов меньше, чем сечение основных каналов. Внутреннее сопротивление источника напряжения, который образует вторичная обмотка, у маломощных каналов более высокое. Значительное увеличение потребления тока по этим каналам вызовет заметное падение напряжения на нагрузке, поэтому схема защиты может среагировать на резкое изменение выходного уровня до появления чистого КЗ и отключит блок питания.