Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Uст = Uоп(1 + R2 / R3) + Iоп R 2 (2.2)
Резистивный делитель напряжения, определяющий уровень выходного напряжения стабилизатора TL431, на схеме, приведенной на рис. 2.2, составлен из сопротивлений R51, R49 и R50. При номиналах резисторов, указанных на принципиальной схеме рис. 2.2, уровень напряжения на катоде стабилизатора ZIC1, электрод VO, составляет ~2,8 В. Напряжение на базе транзистора Q11 имеет примерно такое же значение.
Анод нижнего по схеме диода сборки SBD3 соединен с выводом трансформатора через развязывающий дроссель L6. К аноду выпрямительного диода подключен катод диода D31, анод которого соединен с коллектором транзистора Q11 и с одной из обкладок конденсатора C28. Конденсатор C28 – керамический, рассчитанный на максимальное рабочее напряжение 100 В. С помощью элементов стабилизатора организована следящая связь за уровнем напряжения на выходе канала +3,3 В. Цепь, состоящая из резистора R55, транзистора Q11 и диода D31, шунтирует нижний выпрямительный диод сборки SBD3 и дроссель фильтра этого канала. Импульсами отрицательной полярности, появляющимися на выводе 4 трансформатора T3, открывается диод D31 и через него заряжается конденсатор C28. Напряжение на базе транзистора Q11 фиксировано. Выходное напряжение канала +3.3 В изменяется в некоторых пределах. Увеличение положительного напряжения на выходе этого канала передается на эмиттер транзистора Q11 и приводит к открыванию данного транзистора. При этом выходная цепь канала через резистор R55 подключается к источнику отрицательного напряжения, образованного диодом D31 и конденсатором C28. Происходит частичный разряд конденсатора C34, и выходное напряжение снова снижается до уровня закрывания транзистора Q11. Максимальное рабочее напряжение конденсатора C28 не случайно выбрано таким большим. На конденсатор поступают импульсы, амплитуда которых может превышать 30 В. Заряд конденсатора C34 может достигать амплитудного значения импульсов, реальный же уровень напряжения на нем будет определяться общими рабочими условиями источника питания, зависящими от поведения нагрузки.
Для того чтобы в отсутствие нагрузки конденсаторы фильтров вторичных каналов не заряжались до амплитудных значений импульсного напряжения, параллельно им установлены балансные резисторы. Резисторы обеспечивают постоянный частичный разряд выходных емкостей в течение всего цикла работы источника и быстрый полный разряд после его отключения от питающей сети.
Последним и достаточно важным элементом, работу которого следует рассмотреть, следует считать дроссель групповой связи L5. Обмотки дросселя выполнены на одном сердечнике. В каждом вторичном канале сразу после диодных выпрямительных элементов включено по одной обмотке дросселя. Направление намотки одинаково, обмотки синфазны. Каждая канальная обмотка дросселя – это составная часть общей цепи фильтрации импульсного напряжения, поступающего от выпрямителей. Обмотки дросселя L5 во всех каналах, кроме цепи фильтра +3,3 В, являются дополнением к канальным индуктивностям L1 – L4. В канале напряжения +3,3 В обмотка дросселя L5 – единственный индуктивный элемент сглаживающего фильтра.
Вторичные каналы не имеют дополнительных стабилизаторов, кроме установленных в цепи +3,3 В. ШИМ регулировки осуществляются по сигналам резистивных датчиков, подключенных к выходам каналов +5 В и +12 В. За состоянием остальных вторичных каналов слежение производится косвенным образом. Оно основано на влиянии токов, протекающих в цепях побочных каналов, на уровень общего магнитного потока, возбуждаемого в магнитопроводе дросселя L5. Благодаря единому магнитопроводу между канальными обмотками дросселя L5 существует магнитная связь. Взаимодействие обмоток через сердечник оказывает эффект, подобный работе трансформатора. Через обмотки протекают пульсирующие токи, действие каждого вызывает возникновение ЭДС самоиндукции в остальных. Токи, протекающие по обмоткам дросселя L5, имеют противоположное направление для каналов с положительными и отрицательными напряжениями. Результирующая ЭДС взаимоиндукции будет менять значение в зависимости от распределения нагрузки по каналам. Если в результате произвольного внешнего воздействия произойдет увеличение токовой нагрузки только в канале отрицательного напряжения, это вызовет соответствующее увеличение потока магнитной индукции. Потоки положительных каналов, подключенных к цепи обратной связи, возбуждают магнитный поток противоположной направленности. Величина потока при постоянной нагрузке остается неизменной. Магнитный же поток от канала с отрицательным напряжением будет возбуждать противо ЭДС в обмотках фильтра напряжений +5 В и +12 В. Произойдет некоторое снижение уровня напряжения в этих каналах. Сигнал о понижении номинального выходного уровня через резисторы R46 и R47 поступит на вход усилителя рассогласования микросхемы IC1. ШИМ регулятор отработает это воздействие увеличением ширины рабочей области импульсов, возбуждающих усилитель мощности. Произойдет увеличение энергии, поступающей в цепи вторичных каналов. Уровни напряжений в наиболее нагруженных каналах повысятся до номинального значения. Аналогичный процесс происходит при резком уменьшении нагрузки. В результате будет ограничена подача энергии во вторичные каскады, и система снова придет в состояние равновесия.
Кроме организации вторичных цепей по схеме, представленной на рис. 2.2, могут быть и другие варианты. Отдельные фирмы-изготовители предлагают свои решения в схемах фильтрации и стабилизации вторичных напряжений. Один из вариантов таких схем приводится на рис. 2.17.
Рис. 2.17. Принципиальная схема вторичных цепей источника питанияВ данной схеме (рис. 2.17) в выпрямительной схеме канала +12 В использованы особые сборки на основе диодов Шоттки, а также дополнительные интегральные стабилизаторы. К выходу канала +12 В подключен и вентилятор. Позиционные обозначения элементов этого фрагмента условные и относятся только к компонентам данного рисунка. Рассмотрим характерные отличия этой схемы и сравним их со схемотехническими решениями, приведенными на рис. 2.2.
Здесь силовой трансформатор содержит две вторичные обмотки, выводы которых не соединены между собой. Нижняя по схеме обмотка подключается к выпрямительным элементам D1, D2 и SBD2, постоянное напряжение с которых, исключая напряжение +12 В, подается во все вторичные каналы. Средняя точка этой обмотки подключена к общему проводу вторичных цепей. Аноды диодов, входящих в сборку SBD1, соединены с выводами отдельной обмотки, средняя точка которой подключена к выходу выпрямителя канала +5 В, то есть к катодам сборки SBD2. Такое включение позволяет снизить обратное напряжение на диодах сборки SBD1 и использовать в качестве выпрямителей сборку диодов Шоттки, работа которых наиболее эффективна при относительно небольших обратных напряжениях. В данном случае к диодам сборки выпрямителей канала +12 В прикладывается обратное импульсное напряжение, амплитудное значение которого почти в два раза меньше, чем в аналогичной цепи, показанной на рис. 2.2.
Крайние выводы нижней обмотки подключены к катодам выпрямительных диодов D1, D2. На анодах этих диодов появляются импульсы напряжения отрицательной полярности, после фильтрации которого получается общее постоянное напряжение для формирования номиналов -5 и -12 В. В этом источнике питания дроссель L2 содержит только три канальные обмотки. Напряжение питания +3,3 В формируется отдельным выпрямителем на диодной сборке SBD3 и стабилизатором, выполненном на транзисторе Q1, и не входит в контур стабилизации с помощью магнитной связи. Выпрямительные диоды каналов +5 и +3,3 В подключены к одноименным выводам обмоток трансформатора T. Мгновенное увеличение токовой нагрузки по каждому из данных каналов приводит к снижению амплитуды импульсов на выводах этих обмоток. Поэтому косвенное слежение за уровнем напряжения в цепи питания +3,3 В производится по падению напряжения в цепи канала +5 В. Слежение за уровнем выходных напряжений в данной схеме осуществляется также по состоянию каналов +5В и +12 В, но поскольку в этом примере рассматриваются схемы фильтрации и дополнительной стабилизации вторичных напряжений, цепи, используемые для основной стабилизации, на рис. 2.17 не показаны. Для дополнительной стабилизации напряжений отрицательных номиналов установлены интегральные стабилизаторы IC1 и IC2. В качестве стабилизатора канала -5 В использована микросхема типа 7905, а для формирования напряжения -12 В – микросхема типа 7912. В каналах отрицательных напряжений несколько изменена схема сглаживания импульсного напряжения, фильтрация которого выполняется только обмоткой дросселя L2.
В данном варианте построения регулятора напряжения +3,3 В следует отметить две характерные особенности. Выходное напряжение канала корректируется потенциометром R11, а не жестко задается резистивным делителем с заранее определенными номиналами. К коллектору регулирующего транзистора Q1 на схеме рис. 2.17 не подключен накопительный конденсатор. В этом варианте замыкание выходных клемм канала +3,3 В на балансный источник напряжения через транзистор Q1 происходит в течение действия отрицательных импульсов на катоде диода D3. В остальные промежутки времени коллектор Q1 подключен к общему проводу питания через диод D4. Принцип регулировки уровня напряжения этого канала полностью аналогичен способу, ранее описанному при рассмотрении схемы, представленной на рис. 2.2.
