Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
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.
Этим обеспечивается высокая надежность работы схемы питания в условиях недопустимых колебаний напряжения в сети.
Если напряжение на выходе сетевого выпрямителя находится в допустимых пределах, микросхема начинает выдавать первые короткие импульсы на затвор VT801. Так называемый «мягкий» запуск, при котором длительность первых импульсов на затворе VT801 минимальна, обеспечивается подключением к выводу 4 ИС D802 конденсатора С816. Это необходимо для того, чтобы снизить нагрузку на силовые элементы схемы питания, т. к. в начале запуска источник работает практически в режиме короткого замыкания по выходам из-за того, что конденсаторы фильтров выпрямителей на вторичной стороне полностью разряжены.
На этом первом этапе практически все питание И С DA802 осуществляется от конденсатора С818.
При отсутствии перегрузок на выходах источника питания, с каждым периодом его работы, его выходные напряжения растут и через 200…300 мс достигают значений, близких номинальным.
При этом и напряжение на конденсаторе С818, т. е. напряжение питания ИС D802, обеспечивается выпрямителем на диоде VD808, который выпрямляет импульсы с обмотки 3–4 трансформатора Т801.
При наличии коротких замыканий или перегрузок по выходам источника напряжения на них не успевают достигнуть номинальных значений, а напряжение на конденсаторе С818 уменьшается из-за тока потребления включенной микросхемы D802. Когда оно снижается до величины 6…7 В, микросхема D802 выключается, и процесс запуска источника питания повторяется.
В рассматриваемой схеме питания импульсного преобразователя силовой ключ и выпрямительные диоды работают в противофазе, т. е. при открытом силовом ключе VT801 выпрямительные диоды VD817, VD819, VD821, VD828, а также выпрямитель питания ИС D802 на диоде VD808 закрыты.
Этим обеспечивается высокая стойкость источника питания к перегрузкам, так как импульсный ток ключа определяется только длительностью запускающего импульса и индуктивностью обмотки 1–6 трансформатора Т801 и не зависит от состояния нагрузки ИИП.
Очередной, отпирающий силовой ключ импульс с выхода ИС D802 (вывод 13), как описывалось ранее, должен быть подан не ранее, чем вся накопленная в трансформаторе Т801 энергия будет отдана в нагрузку через диоды вторичных выпрямителей. Для этого ИС D802 имеет вход детектора «нуля», подключенного к выводу 3, который, в свою очередь, подключен к обмотке 3, 4 трансформатора Т801 через делитель напряжения на резисторах R811, R814.
Конденсатор С805 подавляет паразитные колебания в обмотке 3, 4 трансформатора Т801. Признаком полного «разряда» трансформатора в нагрузку является уменьшение до нуля напряжений на его обмотках, в т. ч. и на этой обмотке.
После того когда И С D802 зафиксировала «нуль» на своем выводе 3, очередной импульс на выводе 13 начнет формироваться через некоторое время, которое определяется постоянной времени цепи, подключенной к выводу 1. Это необходимо для того, чтобы при малых нагрузках, как это имеет место, к примеру, в «дежурном» режиме работы преобразователя, когда отпирающие импульсы имеют длительность всего 1…2 мкс, частота работы ИИП не становилась слишком высокой.
Стабильность выходных напряжений обеспечивается схемой слежения за выходным напряжением выпрямителя на диоде VD817 (+115 В). Напряжение с выхода этого выпрямителя через делитель, образованный резисторами R844, R849 и R845, подается на управляющий вход стабилитрона D804.
При повышении выходного напряжения выпрямителя VD817 выше установленного предела повышается и напряжение на управляющем выводе стабилитрона D804. Когда оно достигает 2,5 В, стабилитрон открывается, и через него начинает протекать ток от выхода выпрямителя VD821 через резистор R840, излучающий диод оптопары D801.
При протекании тока через излучающий диод оптопары открывается ее выходной транзистор, который шунтирует вывод 5 (через резистор R813) на «общий» вывод питания И С D802. Это приводит к уменьшению длительности запускающих импульсов и к прекращению дальнейшего роста выходного напряжения +115 В.
И наоборот, при снижении напряжения питания стабилитрон D804 закрывается, уменьшается ток коллектора выходного транзистора оптопары и увеличивается длительность импульсов запуска, увеличивая выходные напряжения.
Цепь обратной связи должна иметь высокое быстродействие, обеспечивающее эффективное подавление пульсаций частотой 100 Гц, обусловленных относительно большим значением напряжения пульсаций на сглаживающем конденсаторе сетевого выпрямителя С810. Это также обеспечивает быструю «реакцию» источника на скачкообразные изменения напряжения в питающей сети и на резкие изменения нагрузки на источник, которые, к примеру, могут быть вызваны резким увеличением тока потребления в нагрузке преобразователя.
После запуска источника цепь R806, С813 задает максимальную выходную мощность источника питания. При работе источника питания конденсатор С813 заряжается (с момента отпирания силового ключа) через резистор R806 до достижения порога срабатывания внутреннего компаратора ИС D802, который через ее внутреннюю логику выключает силовой ключ и разряжает конденсатор С813 до напряжения около +1,5 В.
Порог срабатывания этого компаратора определяется выходным напряжением усилителя ошибки ИС D802, и он снижается при увеличении напряжения на входе усилителя ошибки (вывод 3) выше порога 3,5 В.
Таким образом, время заряда конденсатора С813 до срабатывания компаратора определяет длительность импульса, включающего силовой ключ.
При этом постоянная времени зарядной цепи R806, С813 фактически определяет максимально возможную длительность отпирающих силовой ключ импульсов, т. е. максимальную выходную мощность источника. При использованных в схеме ИИП элементах значение его выходной мощности ограничено величиной 500 Вт.
Такое ограничение выходной мощности дополнительно защищает элементы источника питания и остальной части схемы преобразователя от повреждений при перегрузках.
При идеальных параметрах трансформатора Т801 максимальное напряжение на силовом ключе VT801 после его запирания определялось бы суммой напряжения на конденсаторе С810 и выходного напряжения обратной связи, приведенного к силовой обмотке трансформатора.
Однако реальный трансформатор имеет индуктивность рассеяния, в которой также запасается некоторая энергия при отпирании силового ключа. Поэтому, если не принять специальных мер, после каждого запирания силового ключа на нем будут возникать очень короткие выбросы напряжения, способные вызвать пробой силового ключа.
Для образования пути «разряда» энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния Т801, служит цепь R808, С811, VD809, которая уменьшает выброс напряжения на стоке VT801 при его запирании.
Конденсатор С820 дополнительно задерживает фронт нарастания напряжения на стоке VT801 до его полного запирания, что уменьшает мгновенную мощность, выделяющуюся в структуре транзистора VT801. Эти элементы обеспечивают надежную защиту силового ключа в различных режимах работы источника — от режима, близкого к «холостому» ходу, до максимальной выходной мощности. Отказы силового ключа (чаще всего это пробой сток-исток) могут иметь место только при катастрофическом повышении напряжения на сетевом входе (до 300…350 В) либо при пробое диодов вторичных выпрямителей во время работы схемы питания.
В этом случае может возникнуть опасность повреждения и других элементов схемы, особенно микросхемы D802 и связанных с ней цепей. Это может произойти, если током разряда С810 через пробитый силовой транзистор (он может достигать 200…250 А) будет пережжен внутренний вывод истока транзистора VT801.
После этого короткого замыкания по выходу сетевого выпрямителя уже нет, и напряжение около 300 В через цепь сток-затвор пробитого VT801 может вызвать тяжелые повреждения элементов в цепи его затвора (R818, D802), а также печатной платы в местах расположения этих элементов. Для исключения такой ситуации в цепь питания ключа, после конденсатора С810, введена плавкая вставка FU802 на ток 1А, которая срабатывает до сгорания вывода истока VT801.
Нестабильность напряжений на выходах вторичных выпрямителей, без применения дополнительных мер, составляет около 2 %.
Напряжение питания схемы управления в рабочем режиме снимается с выхода выпрямителя +7,11 В на диоде VD821. Параметрический стабилизатор образован резистором R438 и стабилитроном VD410 напряжением +5,1 В. От этого стабилизатора питается фотоприемник D402 (ток потребления около 3 мА). К нему же подключен делитель напряжения R847, R848. С его средней точки напряжение около +3,8 В подается на эмиттерный повторитель VT806, с эмиттера которого снимается напряжение питания около +3,2 В на микроконтроллер управления преобразователя. Для снижения мощности, рассеиваемой в транзисторе VT806, последовательно с коллектором включен резистор R834.
