Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC Страница 16

Появлением импульсных сигналов на выходах элементов DD5 и DD6 заканчивается логическая обработка сигнала рассогласования и формирование ШИМ последовательностей в преобразователе. Вид этих последовательностей импульсов останется неизменным до их подачи на силовые элементы усилителя мощности. Все каскады, установленные между выходами элементов DD5, DD6 и базовыми цепями транзисторов усилителя мощности, предназначены только для увеличения энергетических характеристик импульсов управления и согласования их уровней.

Внутренние транзисторы VT1 и VT2 микросхемы IC1 используются для первичного усиления управляющих последовательностей импульсов, которые подаются на их базы от элементов DD5 и DD6. Выводы этих транзисторов не имеют внутренних подключений к каким-либо нагрузочным резистивным цепям. Они специально оставлены свободными для применения транзисторов в различных вариантах схем включения. На принципиальной схеме, приведенной на рис. 2.2, показано, что каскад ШИМ регулятора имеет трансформаторную связь с усилителем мощности. Это традиционный подход к формированию цепей согласования низковольтного, относительно маломощного, узла управления и силового высоковольтного каскада. Непосредственное подключение выходных транзисторов микросхемы TL494 к трансформатору согласования используется редко. Обычно применяется каскад промежуточного усиления, построенный на транзисторах типа 2SC945, аналогичный представленному на схеме (см. рис. 2.2). Каскад предназначен для усиления по уровню и мощности импульсных сигналов, подаваемых в базовые цепи транзисторов силового каскада через трансформатор Т2, до уровня, достаточного для запуска полумостового усилителя и коммутации транзисторов Q9 и Q10.

В импульсных блоках питания транзисторы 2SC945 или их функциональные аналоги применяются очень широко независимо от фирмы-производителя изделия. Предельные значения основных технических параметров представленных здесь транзисторов следующие:

• максимальная мощность рассеивания – 250 мВт;

• напряжение коллектор-база – 60 В;

• напряжение коллектор-эмиттер – 50 В;

• напряжение эмиттер-база – 5 В;

• ток коллектора – 100 мА;

• ток базы – 20 мА;

• типовое значение коэффициента усиления в схеме с общим эмиттером – 185–200;

• типовая емкость перехода коллектор-база – 3 пФ;

• типовое значение частоты единичного усиления fт – 250 МГц.

По отечественной классификации они принадлежат к семейству транзисторов высокой частоты и малой мощности.

Согласно схеме на рис. 2.2, выводы IC1/9,10, а соответственно и эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 микросхемы TL494, подключены к общему проводу вторичных напряжений. Выводы IC1/8,11 (или коллекторы выходных транзисторов) соединены с проводником питания IC1 через резисторы R13 и R14 соответственно. Такое использование транзисторов соответствует схеме с общим эммитером и предназначено для работы в ключевом режиме. Транзисторы производят инвертирование сигналов, поступающих от элементов DD5 и DD6. Нагрузкой для выходных транзисторов микросхемы является двухтактный каскад на транзисторах Q7 и Q8. Базы транзисторов Q7 и Q8 соединены с коллекторами VT1 и VT2, смещение на них подано через резисторы R32 и R45. На коллекторе транзистора VT1 сформирована импульсная последовательность, показанная на диаграмме 9 (см. рис. 2.8). Вид последовательности на коллекторе VT2 представлен на диаграмме 10.

Транзисторный каскад на Q7 и Q8 с трансформатором Т2 в цепи нагрузки оптимизирован для усиления по мощности импульсных сигналов, поступающих от IC1. Эта особенность использования Q7 и Q8 предъявляет особые требования к выбору структурного построения цепей смещения транзисторов.

Из диаграмм 9 и 10 (см. рис. 2.8), отражающих вид последовательностей импульсов на базах Q7 и Q8, следует, что существуют временные интервалы, когда на базах обоих транзисторов устанавливается высокий потенциал. В эти промежутки оба транзистора открыты. Транзисторы закрываются поочередно. Когда транзистор Q8 закрыт сигналом низкого уровня, поданным от коллектора VT1, транзистор Q7 открыт, и наоборот, в момент закрывания Q7 транзистор Q8 остается открытым.

Эмиттеры транзисторов Q7 и Q8 объединены и через два последовательно соединенных диода D16 и D17 подключены к общему проводу вторичной цепи питания. Параллельно диодам D16 и D17 установлен электролитический конденсатор C20. Благодаря этому на эмиттерах транзисторов Q7 и Q8 уровень напряжения поддерживается постоянным. Значение напряжения на положительной обкладке C20 составляет +1,6 В. В момент поступления закрывающего импульса на базу одного из транзисторов Q7 или Q8, соответствующий транзистор из пары VT1 и VT2 находится в состоянии насыщения. В момент закрывания на базы этих транзисторов воздействует напряжение величиной примерно +0,8 В, следовательно, переход база-эмиттер имеет обратное смещение с напряжением примерно -0,8 В. Создаются условия для быстрого и эффективного закрывания транзистора промежуточного усилителя мощности. Скорость закрывания/открывания транзистора определяет длительность фронта импульса, формируемого в его коллекторной цепи. Для того чтобы во время переключения транзистор находился в активной области короткий промежуток времени, длительности фронта и спада импульса должны быть минимальными, а скорость открывания и закрывания транзистора – максимальной. Вид сигналов, поступающих на базы транзисторов Q7 и Q8, представлен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Диаграмма напряжения на базах транзисторов Q7, Q8

Рис. 2.10. Диаграмма напряжения на коллекторах транзисторов Q7, Q8

На рис. 2.10 представлена диаграмма напряжения на коллекторе одного из транзисторов промежуточного усилителя в произвольный момент времени. Следует учитывать, что на коллекторе второго транзистора формируются аналогичные по виду, но сдвинутые по времени, импульсы. Фрагмент импульсной последовательности в точке подключения катода диода D19 к обмотке трансформатора T2 показан на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Фрагмент импульсной последовательности в точке подключения катода D19 к обмотке трансформатора T2

На рис. 2.11 условно сплошными линиями выделены контуры импульсов, которые появляются при коммутации транзистора Q7, а пунктирными – при переключении транзистора Q8.

Диод D19 установлен для снижения влияния импульсного сигнала, возникающего в средней точке первичной обмотки трансформатора T2 на цепь питания микросхемы IC1.

2.4.3. Импульсный усилитель мощности

Каскад усилителя мощности импульсного преобразователя подключен к выпрямителю на диодах D11 – D14. Выпрямленное напряжение первичной сети фильтруется комбинированным фильтром, состоящим из дросселя Т и последовательно соединенных электролитических конденсаторов С5 и С6. Параллельно каждому конденсатору фильтра подключены резисторы R30 и R31 соответственно. Включение резисторов не обязательно, поэтому не все производители источников питания применяют их в своих конструкциях. Резисторы используются для ускоренного разряда емкостей фильтра при выключении источника питания. Конденсаторы C5 и C6 в данном варианте схемы имеют двойное назначение: первое – фильтрация выпрямленного сетевого напряжения питания и второе – работа в составе схемы полумостового усилителя мощности. Эти конденсаторы вместе с силовыми транзисторами Q9 и Q10 образуют схему полного моста, в диагональ которого последовательно с конденсатором C7 включена первичная обмотка силового импульсного трансформатора Т3. Общее описание полумостового усилителя приведено в главе 1. Там же соотношением (1.13) были установлены минимальные требования к емкости конденсаторов полумостовой схемы. В импульсных источниках для персональных компьютеров, как правило, применяется схема включения фильтрующих конденсаторов, аналогичная схеме, приведенной на рис. 2.2. При таком включении допускается применение конденсаторов C5 и C6 с максимальным рабочим напряжением на каждом в 200 В, так как в точке соединения этих конденсаторов устанавливается напряжение близкое к Uп/2. А совмещение их функций позволяет сэкономить два неполярных конденсатора емкостью 0,5–1,0 мкФ и рабочим напряжением не менее 200 В.

Параллельно каждому силовому транзистору Q9 и Q10 установлен защитный диод D23 и D24 соответственно, устраняющий выбросы напряжения в моменты коммутации транзисторов, а также служащий для создания пути частичного возврата энергии, запасенной в силовом импульсном трансформаторе, в источник первичного питания. Наличие конденсатора С7 исключает насыщение сердечника трансформатора T3 при возникновении асимметрии временных интервалов протекания тока через первичную обмотку T3. Конденсатор С7 устраняет постоянную составляющую в цикле перемагничивания сердечника и этим исключает увеличение токовой нагрузки на одном из силовых транзисторов. К первичной обмотке трансформатора T3 подключена демпфирующая RC цепь на элементах R48 и C25. Цепь предназначена для гашения паразитных высокочастотных колебаний, возникающих в моменты переключения транзисторов в контуре, образованном межвитковой емкостью первичной обмотки T3 и ее индуктивностью рассеяния. Конденсатор C25 дополняет общую паразитную емкость первичной обмотки трансформатора T3, что приводит к снижению частоты паразитных колебаний и уменьшению их амплитуды. Ввод резистора R48 в колебательный контур снижает его добротность и способствует ускорению затухания колебательного процесса.