Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC
Для устойчивой работы схемы защиты в базовую цепь транзистора Q3 включен керамический конденсатор C6. Он обеспечивает фильтрацию кратковременных импульсных помех, которые могут привести к переключению транзисторной схемы. В начальный момент, когда преобразователь подключает схему управления к напряжению питания, благодаря наличию конденсатора С5 происходит задержка включения транзисторного каскада. Диод D5 применяется для развязки каскадов, вырабатывающих сигналы воздействия на базу Q3 при различных проявлениях отклонения вторичных напряжений от номинальных уровней.
Во всех примерах схем защиты датчики и схемы воздействия на элементы управления преобразователем строились на основе дискретных элементов. В следующих примерах приведены схемы, в которых в качестве первичных узлов, формирующих сигналы отключения ШИМ преобразователя, применяются интегральные компараторы. Первая из схем приведена на рис. 3.18 (вариант 4).
Рис. 3.18. Схема комплексной защиты от перегрузки (вариант 4)На схеме (рис. 3.18) показаны узлы, рассмотренные нами и в предыдущих вариантах исполнения каскадов защиты. Схема осуществляет контроль за длительностью управляющих импульсов, за коротким замыканием по каналам с отрицательными номиналами напряжений, а также слежение за превышением установленного уровня напряжения в канале +5 В. Взаимодействие с микросхемой ШИМ управления – TL494 выполняется только по входу 4. Использование внутреннего усилителя DA4 для принудительного ограничения ширины импульсов управления не предусмотрено. В каскаде защиты используется два компаратора DA1 и DA2 из микросхемы типа LM339, выходы которых объединены по схеме «монтажного ИЛИ». В установившемся режиме оба выхода имеют высокий уровень. Транзистор Q1 при этом закрыт, а напряжение на выводе TL494/4 определяется падением напряжения на резисторе R14, вызванным протеканием через него входного тока.
Датчик контроля длительности импульсов управления (трансформатор T1 и элементы D3, D4, R10, R7 и C1) введен в первичную цепь преобразователя. Первичная обмотка трансформатора T1 включена в диагональ полумостового усилителя. Через эту обмотку протекает тот же ток, что и через первичную обмотку силового импульсного трансформатора T2. Форма сигнала на T1 полностью совпадает с импульсами управления преобразователем. Трехуровневый импульсный сигнал появляется на вторичной обмотке трансформатора T1. Вторичная обмотка имеет три вывода. Со среднего вывода снимается сигнальное напряжение. Крайние выводы обмотки подключены к катодам диодов D3 и D4 двухполупериодного выпрямителя. Аноды диодов соединены с общим проводом вторичной цепи. На среднем выводе обмотки W2 присутствуют импульсы положительной полярности. Частота следования импульсов в этой точке в два раза превышает частоту следования импульсов по каждому из выходов микросхемы TL494. Импульсное напряжение сглаживается RC фильтром на элементах R7 и C1. Уровень напряжения на конденсаторе C1 зависит от длительности импульсов управления преобразователем. Повышение нагрузки вторичных цепей автоматически приводит к росту этого напряжения. Конденсатор C1 подключен к одному из выводов резистора R4. Второй вывод резистора R4 через диод D1 подсоединен к шине вторичного напряжения канала +5 В. Резистивным делителем, образованным элементами R4 – R6, задается уровень на инвертирующем входе компаратора DA1/4, входящего в состав микросхемы типа LM339. Компаратор производит сравнение этого напряжения с потенциалом на DA1/5, установленным резистивным делителем на R8, R9. Делитель включен между выходом опорного напряжения, вырабатываемого микросхемой TL494 на выводе 4, и общим проводом вторичной цепи. Средняя точка делителя присоединена к неинвертирующему входу компаратора DA1/5. На резисторе R4 происходит суммирование части вторичного напряжения от канала +5 В и напряжения, поступающего от датчика ширины импульсов управления, на трансформаторе T1. Сумма напряжений делится пропорционально величинам сопротивлений резисторов R5 и R6. Точка соединения этих резисторов подключена к входу компаратора DA1/4. При нормальном рабочем режиме источника питания уровень опорного напряжения на входе DA1/5 несколько больше, чем на входе DA1/4. Напряжение на выходе компаратора близко по значению к опорному. Повышение одного из напряжений, суммируемых на R4, вызовет пропорциональное возрастание потенциала на DA1/4. Когда напряжение на инвертирующем входе компаратора станет больше, чем на другом его входе, произойдет быстрое переключение компаратора. На выходе установится низкий уровень. Нагрузкой, соединенной с выходами компараторов, являются последовательно соединенные резисторы R11 и R12. К точке их соединения присоединена база транзистора Q1. Когда происходит переключение выхода компаратора от высокого уровня к низкому, база Q1 оказывается под открывающим потенциалом. Транзистор Q1 открывается, напряжение на его коллекторе повышается. Возрастающее напряжение с коллектора Q1 подается через диод D5 на вход компаратора DA2/8. Повышение напряжения на входе компаратора DA2/8 вызывает его переключение. С этого момента выходы обоих компараторов имеют низкие уровни. Высокий уровень напряжения на выводе TL494/4 приводит к отключению ШИМ преобразователя в соответствии с описанной выше последовательностью действий внутри TL494. Начальное переключение компаратора DA1 происходит либо при повышении выходного уровня во вторичном канале +5 В, либо из-за увеличения нагрузки по основным вторичным каналам сверх установленного предела. Компаратор DA1 совмещает в себе функции вторичного датчика уровня напряжения в канале +5 В и длительности импульсов управления усилителем мощности.
На втором компараторе микросхемы LM339 собран ключевой элемент, выполняющий слежение за состоянием каналов с отрицательными номиналами напряжений. В нормальном состоянии делителями напряжений на входах устанавливаются потенциалы, при которых выходной уровень напряжения компаратора – высокий (напряжение на DA2/9 больше, чем на DA2/8). Резисторами делителей, подключенных к входам компаратора DA2, выбирается порог чувствительности схемы. Малой разницей напряжений на входах обеспечивается быстрое переключение компаратора, но схема может быть слишком чувствительна к случайным кратковременным помехам. Исходная разность потенциалов по входам выбирается ~1 В. Опорный уровень на входе DA2/9 формируется из опорного напряжения, вырабатываемого на выходе TL494/14. Когда происходит КЗ по одному из контролируемых каналов, напряжения на входах компаратора перераспределяются, в результате знак разности их потенциалов изменяется. Происходит переключение компаратора с последующим открыванием транзистора Q1. Открытый Q1 представляет собой малое сопротивление, через которое анод диода D5 подключается к опорному напряжению. Диод D5 используется как элемент обратной связи между входом DA2/8 и выходом схемы защиты – коллектором Q1. Положительный потенциал от коллектора Q1 передается на инвертирующий вход компаратора DA2, еще более увеличивая разность потенциалов между его входами. Система защиты после переключения компаратора и транзистора Q1 приходит в равновесное состояние. Вывести систему защиты из состояния блокировки микросхемы TL494 можно только переключением первичного напряжения питания и выполнения полного цикла начальной инициализации всей схемы источника питания.
На рис. 3.19 представлена комплексная схема защиты источника питания, последняя в данном подразделе, на которой компоненты узла защиты изображены полностью, а схемы включения полумостового усилителя мощности и ШИМ преобразователя – микросхемы TL494 – условно.
Рис. 3.19. Схема комплексной защиты от перегрузки (вариант 5)Схема реализует самый полный комплекс мер по защите элементной базы источника питания. Данный каскад защиты реагирует на увеличенное потребление энергии по основным каналам вторичных напряжений, чрезмерное возрастание уровня напряжения в канале +12 В, а также на КЗ по всем вторичным каналам. Ни в одной из схем защиты не рассматривался вариант, содержащий отдельные датчики, настроенные на контроль превышения уровня вторичного напряжения для канала +5 В. Основная нагрузка, как правило, подключается именно к выходу этого канала и функции слежения за значением его напряжения возложены на узлы микросхемы TL494. При рассмотрении работы функциональных узлов этой микросхемы будут использованы обозначения, принятые на рис. 2.7.
Управление длительностью импульсов управления усилителя мощности может выполняться как с помощью усилителя DA3, так и по сигналам DA4. Принципиальной разницы нет, но традиционно (что видно по всем приведенным примерам) сигнал рассогласования вырабатывается усилителем DA3, а усилитель DA4 используется в составе схемы защиты для принудительного ограничения длительности импульсов управления и блокировки ШИМ преобразователя. В схеме, представленной на рис. 3.19, слежение за выходным уровнем этого канала выполняется с помощью операционного усилителя DA3, входы которого выведены через выводы TL494/1 и TL494/2. Выходы усилителей соединены через развязывающие диоды. При нормальном режиме работы источника питания на выходе усилителя DA4 установлено нулевое напряжение, и оно не оказывает влияния на сигнал, действующий на выходе усилителя DA3. Усилитель DA4 не охвачен обратной связью, поэтому его работа аналогична функционированию компаратора – выход этого усилителя может иметь только два состояния: низкого и высокого уровней. Процесс перехода из одного состояния в другое происходит достаточно быстро. При низком уровне на выходе DA4 диод D2 закрыт, а при высоком уровне этот диод открывается. Выходной уровень усилителя зависит от соотношения напряжений на выводах TL494/16 и TL494/15, через которые подводятся входные сигналы к усилителю DA4. В схеме, приведенной на рис. 3.19, вывод TL494/16 подключен к общему проводу вторичной цепи. На вход TL494/15 подведено напряжение от делителя на резисторах R24 и R25. Резисторы делителя запитываются от датчика ширины импульсов управления (подводится к точке соединения R24 и R25) и источника напряжения, подключенного между выходом вторичного канала +5 В и выводом TL494/14. От датчика длительности импульсов управления на делитель поступает отрицательное напряжение, которое формируется на конденсаторе C7, куда оно подается от датчика, выполненного на трансформаторе T1. Во вторичной цепи трансформатора включен двухполупериодный выпрямитель, с помощью которого выделяются импульсы отрицательной полярности. Импульсный сигнал сглаживается фильтром, состоящим из резистора R23 и конденсатора C7. Соотношение резисторов R24 – R27, подключенных к входу TL494/15, выбрано так, чтобы в режиме нормальной работы напряжение на этом выводе было положительным. Этим обеспечивается установка нулевого уровня на выходе DA4. При возникновении перегрузки и расширении импульсов управления силовым каскадом отрицательное напряжение на конденсаторе C7 начинает повышаться. Рост отрицательного напряжения приводит к снижению положительного потенциала на выводе TL494/15. Когда напряжение на этом выводе уменьшится до нулевого уровня, усилитель DA4 переключится и на его выходе появится высокое напряжение. Его значение превышает выходной уровень усилителя DA3, диод D1 оказывается закрытым, а выход DA3 блокированным. Переключение DA4 протекает быстро и проходит через стадию, в течение которой таким нарастающим напряжением вызывается принудительное ограничение длительности выходных импульсов ШИМ преобразователя. Перед полной блокировкой ширина импульсов плавно, но достаточно быстро уменьшается до нуля. Генерация импульсов прекращается, ритмичное переключение силовых транзисторов останавливается. Передача энергии через импульсный трансформатор отсутствует, вторичные цепи обесточиваются.
