Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
На рис. 3.2 дана схема соединения элементов системы UZO-DES OUTDOOR POWER SYSTEM.
Рис. 3.2. Принцип взаимосвязи элементов системы преобразования электроэнергии в моем хозяйстве
3.1. ИИП-преобразователи, реализованные на повышенной частоте
Во всех описываемых в настоящей книге устройствах применена схема импульсного источника питания с бестрансформаторным входом, работающая на повышенной (30…50 кГц) частоте. В такой схеме входное сетевое напряжение, которое в реальных условиях эксплуатации телевизора может находиться в пределах 170…242 В, выпрямляется сетевым выпрямителем, и полученным постоянным напряжением (оно получается в пределах 230…350 В) питается мощный стабилизирующий преобразователь напряжения. Из большого разнообразия схем стабилизирующих преобразователей в большинстве современных устройств-преобразователей используется так называемая «обратноходовая схема», где разделяются по времени работа ключевого транзистора на сетевой стороне и работа выпрямителей на вторичной стороне.
Принцип работы рассматриваемого преобразователя заключается в следующем. В каждый период работы блока первичная (силовая) обмотка импульсного трансформатора на некоторое время подключается к выходу сетевого выпрямителя через транзисторный ключ. Диоды вторичных выпрямителей при этом заперты и не влияют на ток силовой обмотки, который с момента включения ключа нарастает от нуля до некоторого значения.
Это значение определяется несколькими факторами: напряжением на выходе сетевого выпрямителя, индуктивностью силовой обмотки и временем, в течение которого открыт транзисторный ключ.
Закон изменения тока в силовой обмотке близок к линейному. Скорость его нарастания определяется отношением входного напряжения к индуктивности силовой обмотки трансформатора.
К моменту выключения транзисторного ключа в импульсном трансформаторе «запасается» некоторая порция энергии, численно равная половине произведения квадрата тока в силовой обмотке на ее индуктивность.
После запирания ключевого транзистора напряжения на обмотках трансформатора меняют знак, диоды вторичных выпрямителей открываются, и запасенная в трансформаторе порция энергии поступает через них в нагрузку.
После того как вся запасенная в трансформаторе энергия уйдет в нагрузку, напряжения на обмотках становятся близкими к нулю. В этот момент вновь включается транзисторный ключ, и процесс повторяется.
Выходной мощностью блока (и его выходным напряжением) можно управлять, изменяя длительность периода накопления энергии в трансформаторе, т. е. путем изменения времени открытого состояния транзисторного ключа. Таково упрощенное описание принципа работы преобразователя.
Для обеспечения стабильности выходных напряжений источника питания необходимо изменять время открытого состояния транзисторного ключа в зависимости от входного напряжения и мощности, отдаваемой источником в нагрузку. Чем больше входное напряжение, подаваемое на источник, тем меньшее время требуется для накопления требуемой энергии, и наоборот.
При увеличении нагрузки на источник питания время накопления необходимо увеличивать для увеличения энергии, запасаемой в трансформаторе в каждом периоде работы. Изменение режима работы транзисторного ключа в зависимости от изменения напряжения на входе и нагрузки по выходу обеспечивается специальной схемой управления. Эта схема должна быть достаточно быстродействующей, т. к. напряжение в питающей сети может изменяться скачками, так же, как и нагрузка источника.
3.1.1. Принцип работы схем управления преобразователей напряжения
Существует множество вариантов построения схем управления — от простейших транзисторных (как это, кстати, реализовывалось в конце XX века в телевизионных приемниках III и IV поколений) до схем, построенных на специально разработанных для этой цели интегральных схемах. Для наглядности схема ИИП для телевизионного приемника представлена на рис. 3.3.
В современных ИИП и преобразователях напряжения средней и большой мощности, которые описываются в этой книге, используется специальная интегральная схема нового поколения TDA16846 (фирмы «Infineon», Германия). Ее структурная схема представлена на рис. 3.4.
Выход этой И С (вывод 13) предназначен для управления мощным МДП-транзистором, для которого характерна большая емкость цепи затвора (до нескольких тысяч пикофарад). Особенностью ИС TDA16846 является малый ток потребления перед включением по выводу питания (вывод 2) — около 0,1 мА, что позволяет осуществлять ее запуск от маломощной цепи.
Дальнейшее описание работы ИС TDA16846 будет представлено при описании работы схемы питания.
При работе импульсных источников питания на отдельных его элементах присутствуют импульсы с амплитудой сотни вольт с крутыми фронтами, что вызывает необходимость применения специальных мер по снижению электромагнитного излучения в питающую сеть и окружающее пространство.
Минимизация электромагнитного излучения в пространство обеспечивается специальной конструкцией импульсного трансформатора и минимальной площадью контуров с большими импульсными токами на печатной плате. Излучение электромагнитных помех в питающую сеть подавляется специальными фильтрами, которые являются непременными атрибутами любого импульсного источника питания.
Рис. 3.3. Схема ИИП для телевизора
Типичная схема питания преобразователя содержит следующие функциональные узлы:
Рис. 3.4. Структурная схема микросборки TDA16846
• сетевой помехоподавляющий фильтр (С802, L802, С803, С804, С805, С828, С829);
• сетевой выпрямитель (VD801…VD804) и сглаживающий фильтр (С810);
• контроллер управления источником питания D802;
• силовой транзисторный ключ (VT801);
• импульсный трансформатор Т801;
• вторичные выпрямители и сглаживающие фильтры (VD817, VD819, VD821, VD828, С831, С836, С841, С341);
• интегральные стабилизаторы вторичных напряжений +5 В и +8 В (D805, D808 соответственно);
• параметрический стабилизатор «дежурного» режима — VD830, VD410, VT806.
• схему групповой стабилизации в «рабочем» режиме — управляемый стабилитрон D804 и оптопара D801;
• схему включения «дежурного» режима — VD820, VS802, VT805.
• схему размагничивания кинескопа — R801, VS801.
Рассмотрим работу электрической схемы питания, при этом вначале опишем ее работу в т. н. «рабочем» режиме, при котором выдаются номинальные напряжения питания. Этот режим включается при открытом состоянии транзистора VT805, который блокирует включение тиристора VS802.
Сетевое напряжение через плавкую вставку FU801 и сетевой фильтр подается на сетевой выпрямитель, нагруженный на сглаживающий конденсатор С810. Резистором R805 и активным сопротивлением обмоток дросселя сетевого фильтра L802 ограничивается импульсный ток заряда конденсатора С810 в момент включения преобразователя в сеть до величины 25…30 А. Это значение является безопасным для диодов 1N4007, используемых в сетевом выпрямителе.
В качестве силового ключа использован мощный МДП-транзистор VT801 типа SPP03N60S5 фирмы «Infineon». Он управляется импульсами, поступающими на его затвор с вывода 13 микросхемы управления D802. Резистор R818 ограничивает ток заряда емкости затвора до безопасного для И С D802 значения. Все функции управления источником питания обеспечиваются микросхемой D802. После включения телевизора в сеть микросхема запускается в работу током, подаваемым на ее вывод инициализации питания (вывод 2) с выхода сетевого выпрямителя через резистор R806. Этим током (его среднее значение около 0,3 мА) заряжается конденсатор С818 через внутренний (в микросхеме D802) диод, который включен между выводами 2 и 14 катодом к выводу 14.
Пока напряжение на выводе питания ИС не достигает ее порога включения, ток потребления И С D802 (десятки микроампер) практически не влияет на процесс заряда конденсатора С818. Когда напряжение на нем, а следовательно, и на выводе питания микросхемы D802 (вывод 14) достигнет величины 12… 13 В, микросхема включается, и с этого момента начинается процесс запуска схемы питания основного преобразователя.
В первую очередь анализируется выходное напряжение сетевого выпрямителя, которое должно находиться в пределах 230…350 В. Этот диапазон задается делителем напряжения на резисторах R807, R819, R820. Выводы 10 и И ИС D802 являются входами компараторов с порогом около 1 В.
Компаратор превышения напряжения питания (вывод 10) блокирует работу ИС D802, если напряжение на нем (падение напряжения на R820) превышает 1 В, а компаратор с входным выводом 11 блокирует работу И С D802, если напряжение на нем, т. е. падение напряжения на последовательно включенных резисторах R819 и R820, падает ниже 1 В.
