Александр Куличков - Импульсные блоки питания для IBM PC

Наиболее критичным для работы силовых элементов (транзисторов) в усилителе мощности оказывается неконтролируемое возрастание нагрузки по вторичным каналам напряжения, которое превышает установленный предельный уровень. Увеличение нагрузки приводит к росту тока, коммутируемого транзисторами полумостового усилителя мощности. Процесс неконтролируемого нарастания тока и превышения максимально допустимых значений может быть только следствием неисправности и возникновения экстренной ситуации в нагрузочной цепи. Иногда это может быть обусловлено неправильным использованием преобразователя в режимах, не предусмотренных техническими характеристиками. Для предотвращения повреждения элементов импульсного преобразователя в схему вводятся каскады, предназначенные для отключения формирователя ШИМ последовательностей. После остановки работы ШИМ регулятора прекращается подача управляющих импульсов в силовые цепи. Оба транзистора полумоста «замирают» в закрытом состоянии, их коммутация прекращается. Защита источника питания от перегрузки по вторичным цепям выполняется остановкой преобразователя. Прекращение коммутации силовых транзисторов вызывает понижение напряжения питания на ШИМ каскаде. Если не происходит выгорание сетевого предохранителя, то единственным каскадом, остающимся под напряжением питания, будет усилитель мощности. Все выходные цепи имеют гальваническую развязку от первичной сети, поэтому в отсутствие импульсных колебаний на входе усилителя мощности напряжения на них будут отсутствовать.

Существуют различные схемы построения каскадов защиты. Общим для всех схем является то, что их действие вызывает остановку функционирования маломощной схемы ШИМ регулятора при возникновении перегрузки в выходных цепях. Перегрузка источника питания по каждому каналу проявляется индивидуально. В соответствии с этим строится система блокировки работы ШИМ преобразователя. В системе защиты учитывается поведение схемы при увеличении нагрузки по сильноточным каналам, то есть +5 и +12 В. По мере возрастания нагрузки по этим каналам происходит заметное увеличение длительности импульсов управления усилителем мощности. Комплексная система защиты производит слежение за их длительностью. В качестве датчика контроля длительности управляющих импульсов в схеме, приведенной на рис. 3.2, используется узел, основу которого составляют трансформатор T3 и схема на диодах D9 и D10. Первичная обмотка W3 трансформатора T3 включена в первичную цепь. Через нее протекает такой же импульсный ток, как и через первичную обмотку силового трансформатора. Вторичные обмотки W1 и W2 этого трансформатора присоединены к анодам диодов D9 и D10, катоды которых подключены к общему проводу вторичной цепи питания. Этими диодами образован двухполупериодный выпрямитель. Вторичные обмотки соединены последовательно. С точки соединения обмоток снимается сигнальное импульсное напряжение отрицательной полярности, которое сглаживается на фильтре, образованном элементами R19 и C7. Через балансный резистор R12 происходит частичный разряд конденсатора C7 при текущей работе и полный разряд при отключении источника питания от сети. В процессе работы преобразователя, когда происходит нормальная коммутация силовых транзисторов, на отрицательной обкладке конденсатора C7 накапливается заряд, пропорциональный длительности импульсов. Напряжение с этой обкладки через резистор R14 подается на вывод IC1/15. Туда же через резистор R13 подводится напряжение вторичного канала источника питания +5 В. Согласно функциональной схеме, показанной на рис. 2.7, вывод IC1/15 является инвертирующим входом внутреннего усилителя ошибки DA4 ШИМ преобразователя. Выходы внутренних усилителей DA3 и DA4 микросхемы TL494 объединены по схеме монтажного ИЛИ через диоды развязки. Неинвертирующий вход внутреннего усилителя DA4 (вывод IC1/16) подсоединен к общему проводу. Внутренний усилитель DA4 включен в режиме компаратора напряжения. Компаратор производит сравнение потенциалов на своих входах. В зависимости от их соотношения выходное напряжение принимает значения низкого или высокого уровней, быстро минуя промежуточные стадии переключения. Пока напряжение на выводе IC1/15 положительное, выход усилителя DA4 имеет низкий уровень напряжения, которым устанавливается обратное смещение на диоде D2. В таком режиме этот усилитель не оказывает влияния на работу ШИМ компаратора DA2 и усилителя ошибки, выполненного на усилителе DA3. Когда напряжение на входе IC1/15 понижается до отрицательного уровня, происходит изменение состояния выхода DA4. На нем устанавливается положительное напряжение, практически равное по величине напряжению питания этого усилителя. Происходит открывание диода D2, и положительное напряжение поступает на неинвертирующий вход ШИМ компаратора DA2. Этим положительным напряжением запирается диод D1. Таким образом, отключается внутренний усилитель ошибки на DA3. На выходе внутреннего компаратора DA2 появляется устойчивый положительный потенциал, являющийся запрещающим для работы внутреннего логического элемента на DD1. Через элемент DD1 прекращается подача импульсов на цифровой тракт микросхемы IC1 и, следовательно, выработка импульсов на выходных контактах ШИМ преобразователя останавливается.

Делитель напряжения образован резисторами R13 и R14, подключенными к выводу IC1/15. Один вывод делителя соединен с источником положительного напряжения вторичного канала +5 В, а второй – с источником отрицательного напряжения, формируемого на конденсаторе C7. На конденсатор C7 подается выпрямленное и отфильтрованное напряжение, источником которого являются вторичные обмотки трансформатора T3. Уровень напряжения на отрицательной обкладке конденсатора C7 пропорционален длительности импульсов, формируемых ШИМ преобразователем. Время нахождения силовых транзисторов усилителя мощности в активном состоянии, а, следовательно, и длительность импульсов зависят от уровня нагрузки вторичной цепи. Повышение нагрузки вызывает увеличение интервалов, в течение которых транзисторы находятся в открытом состоянии. При снижении нагрузки этот интервал уменьшается. Косвенное слежение за уровнем нагрузки по вторичной цепи проводится с помощью контроля за напряжением на конденсаторе C7. Изменение напряжения на выводе IC1/15 является следствием вариации потенциала на конденсаторе C7. Повышение нагрузки вторичной цепи вызывает рост отрицательного напряжения на C7, которое через резистор R14 передается на IC1/15. Когда отрицательная составляющая напряжения в резисторном делителе на R13 и R14 начинает преобладать над положительной, потенциал на IC1/15 становится отрицательным. Это вызывает переключение внутреннего компаратора DA4 микросхемы ШИМ преобразователя и полную блокировку работы каскада управления. Таким образом, на базе трансформатора T3 собран узел защиты источника питания от перегрузки по основным каналам импульсного источника питания. Оценка уровня нагрузки проводится по ширине импульсов, коммутируемых силовыми транзисторами полумостового усилителя мощности.