Расчет импульсного источника вторичного электропитания

Нагрузочная характеристика выпрямителя  с емкостным фильтром имеет падающий вид, то есть с увеличением тока нагрузки напряжение Е_п уменьшается, а с уменьшением тока нагрузки – увеличивается. Очевидно, что падающий характер нагрузочной характеристики является недостатком выпрямителя, так как появляется дополнительная составляющая нестабильности напряжения на входе импульсного преобразователя.

Выпрямители с емкостным фильтром обладают и другим недостатком, который  заключается в существенно несинусоидальной и импульсной форме тока, потребляемой им от сети переменного напряжения. Причем чем больше емкость конденсатора С_нч, то есть выше качество сглаживания напряжения Е_п (меньше величина пульсаций DЕ_п), тем меньше длительность импульсов потребляемого тока и больше их амплитуда.

Величины емкостей высокочастотных  конденсаторов С_вч1,…С_вч4 обычно выбирают в пределах нескольких десятых-сотых долей микрофарад.

При выборе элементов рассматриваемых  электронных схем следует учитывать, что для надежной работы ИВЭП требуется  применение коэффициента запаса по средним  и импульсным электрическим параметрам k_з < 0,7.

4) Силовой каскад  ОПНО

Схема силового каскада ОПНО "бестрансформаторного" ИВЭП приведена на рис.4. Под термином "силовой каскад" подразумевается  электронная схема, осуществляющая импульсное силовое преобразование энергии постоянного напряжения Е_п в постоянные выходные напряжения U_н1,…U_нi. На рис.4 показано, что у рассчитываемого ИВЭП имеется лишь одно выходное напряжение: U_н.

Рис.4. Схема силового каскада ОПНО

 

Здесь функции силового ключа S (см. рис.2) выполняет МДП транзистор VT_s.   

Силовой каскад ОПНО может работать в двух режимах. Первый из них –  режим непрерывных токов (НТ), характеризуется  тем, что в любой из моментов времени  работы преобразователя ток в  индуктивности намагничивания L_m трансформатора, являющийся суммой токов первичной w₁ (ток стока i_с транзистора VT_s) и вторичной w₂ (ток i_в, протекающий через диод VD_в) обмоток трансформатора TV, не обращается в нуль. Второй режим – режим прерывистых токов (ПТ), характеризуется наличием нулевого значения тока в индуктивности L_m в конце интервала времени закрытого состояния транзистора VT_s, то есть в режиме ПТ происходит полный разряд тока, запасенного в индуктивности L_m.. Временные диаграммы работы силового каскада показаны на рис.5.

                           

Рис.5. Временные диаграммы работы силового каскада ОПНО

в режиме  ПТ.

 

5)Работа схемы  сравнения

 

Как видно из рис. 4, напряжение вторичной обмотки w₂, выпрямленное диодом VD_в через сглаживающий фильтр С_ф1, L_ф, С_ф2, поступает в нагрузку U_н. Одновременно с этим напряжение с конденсатора С_ф1 поступает на вход аналоговой схемы сравнения DA_сс. Функционально она представляет собой операционный усилитель, на один из входов которого поступает опорное напряжение, а на другой (вход 1) напряжение с выхода делителя напряжения R_дел1, R_дел2. К выходу 3 DA_сс подключен светодиод первой части оптоэлектронной пары "светодиод-фототранзистор" микросхемы DA_угр устройства гальванической развязки. Работа схемы сравнения с оптоэлектронной парой заключается в том, что при изменении выходного напряжения ИВЭП изменяется яркость свечения светодиода, что приводит к изменению светового потока, передаваемого на последующие функциональные узлы ИВЭП.

При отсутствии выходного напряжения U_н в момент первоначального пуска ИВЭП яркость свечения светодиода равна нулю, а при последующем увеличении U_н яркость свечения увеличивается. Аналогичные изменения яркости свечения происходят и при дальнейших изменениях U_н при воздействии различных дестабилизирующих факторов: изменении напряжения Е_с, тока нагрузки I_н, температуры окружающей среды и др. Стрелками показано направление светового излучения светодиода оптопары DA_угр.

Таким образом, при всех изменениях выходного напряжения ИВЭП изменяется уровень сигнала обратной связи (в данном случае светового потока), передаваемого в схему управления оптопарой DA_угр. Вследствие этого соответствующим образом изменяются временные параметры: длительность импульсов t_и, t_п или период Т, чем реализуется свойство стабилизации напряжения U_н.

В схеме силового каскада (рис.4), кроме  рассмотренных элементов, имеется  обмотка w_су, которая служит для обеспечения постоянным напряжением (через диод VD_су) микросхемы схемы управления в установившемся режиме работы ИВЭП. Далее рассмотрим функциональное взаимодействие элементов схемы управления с силовым каскадом ОПНО.

6) Схема  управления силовым транзистором

             Схема управления силовым транзистором  с применением специализированной  ИМС типа КР1033ЕУ15А (рис.6) нашла  широкое применение в ИВЭП  различного назначения, в том  числе и в бытовой электронной  аппаратуре. В настоящее время  управление силовыми МДП или  биполярными импульсными силовыми  транзисторами практически везде  осуществляется при помощи подобных  ИМС различного типа.

Схема содержит следующие элементы с указанием их соответствующего функционального назначения и принципа работы во взаимодействии с другими  элементами схемы управления.

Электропитание специализированной ИМС DA_су (вывод 7 ИМС) осуществляется от стабилитрона VD_ст. Существует два режима электропитания ИМС.

Первый режим используется для  первоначального пуска ИВЭП, когда  выходное напряжение U_н отсутствует или ещё достаточно мало. При подключении к ИВЭП напряжения Е_п через стабилитрон VD_ст начинает протекать ток, величина которого задается резистором R_ст1. Когда VD_ст выйдет на режим стабилизации, то напряжение электропитания, подаваемое на вывод 7 ИМС, становится достаточным для её функционирования. Второй режим характеризуется тем, что в установившемся режиме ток в VD_ст поступает от обмотки w_су трансформатора TV схемы силового каскада (см. рис. 4, напряжение Е_су), значение которого определяется резистором R_ст2. Сглаживание высокочастотных и низкочастотных пульсаций напряжения питания DA_су осуществляется конденсаторами С_су1 и С_су2, первый из которых является керамическим, а второй – электролитическим. Общим для входных и выходных сигналов, а также для питания DA_су  является вывод 5 DA_су.

Рис.6. Схема управления силовым  транзистором ОПНО

 

Выходом DA_су является вывод 6 ИМС, импульсное напряжение которого через резистор R_у поступает на затвор транзистора VT_s (рис. 4, сигнал U_у).

Отличительной особенностью схемы  ОПНО является использование МДП  транзистора VT_s в качестве датчика тока. Эта часть схемы управления (схема защиты) работает следующим образом. Когда на выводе 6 DA_су появляется высокий уровень напряжения, транзистор VT_s открыт. Падение напряжения на нем определяется как произведение сопротивления сток-исток в открытом состоянии R_{си откр} и тока первичной обмотки w₁ трансформатора. Напряжение в точке соединения резисторов R_т1 и R_т2 равно сумме падений напряжения на резисторе R_{си откр} и диоде VD_т. С выхода делителя напряжения R_т2, R_т3 это напряжение поступает на вывод 3 DA_су, функциональное назначение которого заключается в контроле тока силового транзистора. Если принять, что падение напряжения на диоде VD_т при протекании через него различных токов не изменяется, то можно полагать, что напряжение на выводе 3 линейно зависит от тока первичной обмотки w₁ трансформатора. Если напряжение на этом выводе ИМС превысит заданное значение, то действие импульса t_и напряжения U_у прекращается ранее, чем это задается схемой управления, чем реализуется защита силового транзистора от превышения тока стока. Если при последующем включении силового транзистора ток стока опять превысит заданное значение, то процессы повторяются.

Задание требуемого порога срабатывания защиты от перегрузки выполняется соответствующим  выбором сопротивлений резисторов R_т1, R_т2 и R_т3. Конденсатор С_т является интегрирующим и предназначен для исключения ложного срабатывания схемы защиты от внешних и внутренних высокочастотных импульсов помехи.

Известно, что падение напряжения на диоде с p-n переходом зависит от температуры, что относится и к диоду VD_т. С увеличением температуры падение напряжения на нем уменьшается. Это снижает порог срабатывания схемы защиты, так как в этом случае сопротивление R_{си откр} МДП транзистора увеличивается, что вызывает увеличение напряжение на выводе 3 DA_су. Таким образом, уменьшение надежности работы силового транзистора при повышенной температуре компенсируется снижением порога срабатывания схемы защиты.

В случае полного короткого замыкания  в нагрузке напряжения на обмотках трансформатора TV резко уменьшаются, в том числе и на обмотке w_су (см. рис.4). Это вызывает снижение напряжения на стабилитроне VD_ст и на выводе 7 питания DA_су ниже уровня её отключения. ИМС переходит в ждущий режим работы. После этого напряжение на стабилитроне начнет увеличиваться за счет заряда конденсатора С_су2 от источника питания Е_п через резистор R_ст1. Происходит повторное первоначальное включение ИВЭП, и если замыкание в нагрузке не снято, то процессы повторяются. Таким образом, при наличии значительной перегрузки преобразователя происходит периодический пуск ИВЭП и питание DA_су для установившегося режима работы не обеспечивается напряжением обмотки w_су трансформатора TV (см. рис. 4). Такой способ защиты от перегрузки позволяет значительно снизить мощность, рассеиваемую силовым транзистором и выпрямительным диодом.

Для питания внутренних и некоторых  внешних элементов в DA_су существует стабильный источник опорного напряжения U_оп = 5 В, который выведен на вывод 8 ИМС. Фильтрация его от высокочастотных помех осуществляется конденсатором С_оп.

Установка частоты преобразования ОПНО f_пр = 1 ¤Т производится выбором параметров последовательной цепи R_f, C_f, средняя точка которой подключена к выводу 4 DA_су. Питание этой цепи осуществляется от стабильного источника U_оп, что позволяет улучшить устойчивость системы автоматического регулирования (САР) и повысить стабильность напряжения U_н.

Между выводами 1 и 2 DA_су включен резистор R_ус, при помощи которого можно изменять коэффициент усиления системы автоматического регулирования (САР), изменяя тем самым динамические и статические характеристики "бестрансформаторного" ИВЭП.

Вторая половина оптопары DA_угр устройства гальванической развязки содержит фототранзистор, сопротивление которого изменяется при изменении яркости светового потока, поступающего от светодиода первой половины этой оптопары (см. рис. 4). Конденсатор С_бк, включенный между базой и коллектором фототранзистора, служит для исключения влияния высокочастотных импульсов помехи на работу схемы управления. Резисторы R _ус1, R_ус2 образуют делитель напряжения, выходное напряжение которого подключено к выводу 2 DA_су. Этот вывод является входом схемы сравнения ИМС, которая управляет работой внутренней схемы, осуществляющей преобразование аналогового сигнала в импульсную последовательность U_у. Питание фототранзистора оптопары DA_угр осуществляется от источника напряжения U_оп через резистор R_оптр.

2. Расчет " бестрансформаторного"  ИВЭП

 

1) Определяем максимальное Е_{п макс} и минимальное Е_{п мин} значение постоянного напряжения питания силового каскада.

                            

                    

где U_д – падение напряжения на диоде сетевого выпрямителя, где принято, что U_д = 1 В.

2) Выбираем тип диода VD_c1,…VD_c4  сетевого выпрямителя.

а) Максимальное обратное напряжение на диодах равно максимальному выпрямленному  напряжению:

                                              U_{д обр} = Е_{п макс} = 353В.                                               

б) Средний ток, протекающий через  каждый из диодов, определяется:

                                                    

Здесь величина h принимается равной 0,65, что является типичным значением для современных бестрансформаторных ИВЭП, которое лежит в пределах h - 0,75..0,85.

в) Диоды выбираются таким образом, чтобы для этих расчетных значений напряжений и токов выполнялся коэффициент  запаса k_з < 0,65. Кроме того, необходимо учитывать наличие в сети возможных импульсных низкочастотных и высокочастотных перенапряжений, поэтому для сетевых выпрямителей желательно, чтобы допускаемые напряжения превышали расчетные в 2…3 раза по отношению к расчетным.

В нашем случае подходят диоды типа 2Д253А, у которых максимально допустимое обратное напряжение U_{обр макс} = 800 В, а ток: I_ср = 3 А, U_{д пр} = 1,5 В, t_восст = 220 нс.

3) Рассчитываем емкость сглаживающего  конденсатора сетевого выпрямителя  конденсатора С_нч.