У пропонованій увазі читачів статті описаний потужний імпульсний джерело для живлення різної електронної апаратури. Він зібраний за схемою напівмостового інвертора, керованого ШИ-контролером TL494.
Поява потужних високовольтних польових транзисторів стало передумовою для розвитку мережевих високочастотних блоків живлення з широт-але-імпульсним (ШИ) управлінням [1,2]. Основні переваги перед традиційними подібних джерел лінійними - отримання більшої потужності на навантаженні при менших габаритах і відповідно, більшого ККД [3].
Схема пропонованого імпульсного блоку живлення показана на рис. 1. Основа пристрої - перетворювач, зібраний по полумостовой схемою. Джерело живлення виконана повна гальванічна розв'язка між вхідними високовольтної і вихідний ланцюгами. Вузол керування зібраний на основі ШИ-контролера TL494.
(натисніть для збільшення)
Основні технічні характеристики джерела живлення
- Вихідна напруга, В......28
- Максимальний струм навантаження, А......10
- Номінальна частота перетворення, кГц......100
Транзисторний оптрон U2 забезпечує гальванічну розв'язку в ланцюзі негативного зворотного зв'язку по напрузі. Падіння напруги на резисторі R7 приблизно дорівнює 2,5 Ст. Опір цього резистора розраховують, задавшись струмом через резистивний дільник R6R7. Опір резистора R6 обчислюють за формулою
де Uвыx - вихідна напруга джерела живлення; I1 - струм через резистивний дільник R6R7.
Опір резистора R9 визначає струм через випромінюючий діод оптрона U2.1, а також мінімальний робочий струм стабілізатора DA1. При вибраному струм у цьому ланцюзі I2 (значення струму повинно бути в допустимих межах для стабілізатора DA1) опір резистора R9 розраховують за формулою
де U F - падіння напруги на випромінюють діод оптрона U2.1.
Мікросхема DA5 стабілізує напругу 8 В для живлення дільника, що складається з фототранзистора оптрона U2.2 і резистора R17. Напруга від середньої точки дільника надходить на неінвертуючий вхід першого підсилювача сигналу помилки ШИ-контролера DA6.
Напруга для живлення вузла управління і драйверів (мікросхема DA7) польових транзисторів забезпечує допоміжне джерело на мережевому трансформаторі Т2 і аналогових стабілізаторах напруги DA2 і DA3.
Вузол захисту по струму зібраний на компараторі DA4 і тригер DD1.1. Функцію датчика струму виконує резистор R5, включений у діагональ напівмоста. На неінвертуючий вхід компаратора DA4 подається напруга трикутної форми з конденсатора (С26) частотозадающей ланцюга тактового генератора ШИ-контролера (рис. 2). На виході компаратора формуються тактові імпульси, що надходять на вхід С тригера DD1.1.
Якщо падіння напруги на резисторі R5 досягне 1,1 В, включаються випромінюючі діоди і відкривається фототранзистор оптрон U1. На вхід S тригера DD1.1 надійде низький рівень. На прямому виході тригера DD1.1 і, отже, на неінвертуючому вході другого підсилювача сигналу помилки ШИ-контролера DA6 встановиться високий рівень. В цьому випадку обидва транзистора VT1 і VT2 будуть закриті.
Для керування потужними коммутирующими польовими транзисторами застосована спеціалізована мікросхема - двоканальний драйвер DA7. На рис. 3 показана внутрішня структура одного каналу. В дужках вказані номери висновків другого каналу. Кожен канал містить оптрон і підсилювач з потужним струмовим виходом. Подібні мікросхеми широко використовують для управління асинхронними, так і електродвигунами постійного струму.
Параметри драйвера дозволяють безпосередньо керувати польовими транзисторами з ізольованим затвором, коммутирующими струм до 50 А при напрузі не більш 1200 Ст.
Основні параметри мікросхеми HCPL315J
- Максимальний піковий вихідний струм, А......0,6
- Максимальна вихідна напруга, В......1
- Максимальний споживаний струм, мА......5
- Інтервал напруги живлення, В.......15...30
- Робочий інтервал температури, °З......-40...+100
Опір резисторів R3 і R4 в ланцюгах затворів транзисторів комутуючих розраховують за формулою
де UC2o (С22) - напруга живлення драйвера (напруга на конденсаторі С20 або С22); UL - вихідна напруга драйвера; lL - максимальний піковий вихідний струм.
В діагональ напівмоста включені первинна обмотка трансформатора Т1 і дросель L2 (індуктивність дроселя може включати в себе індуктивність розсіювання трансформатора) [4]. Трансформатор виконаний на магнітопроводі Е-Е типорозміру F-43515 фірми Magnetics Inc. Первинна обмотка містить 38 витків дроту #19AWG, а вторинна - 5+5 витків, намотаних проводом #12AWG. Дросель L2 намотують на магнітопроводі F-41808EC фірми Magnetics Inc. Обмотка дроселя L2 складається з 8 витків дроту #19AWG.
Дросель L3 виконаний на магнітопроводі тороїдальної форми МРР 55930А2 фірми Magnetics Inc. Обмотка дроселя L3 містить 20 витків дроту #12AWG. Дросель вхідного фільтра L1 - Е3993 фірми Coilcraft, його індуктивність - 900 мкГн.
При включенні транзистора VT1 (або VT2) через первинну обмотку трансформатора Т1 за час керуючого імпульсу t1 починає протікати лінійно наростаючий струм (рис. 4). Коли транзистор VT1 (або VT2) закриється, внаслідок накопиченої в первинній обмотці трансформатора та дроселі L2 енергії в ланцюзі за час t2 в цьому ж напрямку продовжує протікати лінійно зменшується струм. Він замикається через діод VD7, якщо виключився транзистор VT1 (або через діод VD6, якщо виключився транзистор VT2).
Не зважаючи на активні втрати потужності в ланцюзі первинної обмотки трансформатора, запишемо рівняння для інтервалу часу t1 і t2:
де Е0 = Uжив/2 - половина напруги живлення; U'0 - вихідна напруга джерела, приведений до первинної обмотки трансформатора; L1 -сумарна індуктивність первинної обмотки трансформатора Т1 і дроселя L2.
Звідси отримаємо вирази для часу t1 і t2 (див. рис. 4):
де lm - максимальний струм первинної обмотки трансформатора.
Час протікання струму через первинну обмотку трансформатора в одному напрямку tn = t1 +t2 можна виразити наступним чином:
Якщо прийняти, що
час протікання струму дорівнює
З цієї рівності одержимо рівняння зовнішньої характеристики джерела харчування. Наприклад, для коефіцієнта заповнення керуючих імпульсів
слід
звідки
Якщо позначити
то рівняння зовнішньої характеристики джерела живлення має вигляд
Зовнішня характеристика блоку живлення показана на рис. 5. Вихідна напруга джерела залежить від опору резистора R17 - чим менше опір, тим менше напруга на виході. Струм спрацьовування захисту визначається опором датчика - резистора R5.
Література
Автори: Р. Карів, С. Іванов, р. Софія, Болгарія