УЗЕЛ ВНУТРЕННЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электроники и может быть применена при разработке вторичных источников питания (ВИП).
Узел внутреннего напряжения питания (УВНП) - это некое электронное устройство, которое из первичного (входного) напряжения выдает напряжение, необходимое для питания элементов схемы управления ВИП. Напряжение, полученное на выходе УВНП, гальванически связано с первичным напряжением и имеет меньший номинал.
Известен УВНП (см. фиг. 1), предназначенный для питания элементов схемы управления ВИП. (Б.С. Сергеев. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. Москва. «Радио и связь». 1992, стр. 178).
УВНП содержит входной резистор R, линейный стабилизатор (ЛС) и схему «подхвата» напряжения, содержащую силовой трансформатор с дополнительной обмоткой WD, выпрямитель и сглаживающий LC фильтр, выход которого является выходом схемы «подхвата» напряжения, подключенной к выходу ЛС.
Данная схема работает следующим образом.
При поступлении первичного напряжения на вход ЛС на его выходе (Вых.) формируется напряжение, предназначенное для питания элементов схемы управления. После установки напряжения на выходе ВИП, установится напряжение и на выходе схемы «подхвата», т.е. на выходе сглаживающего LC фильтра. Это напряжение, будучи примерно на 10% выше напряжения, формируемого на выходе ЛС, вызовет запирание последнего, т.е. переведет его в режим минимального потребления тока, вследствие практического отсутствия токовой нагрузки. И теперь схема управления ВИП станет запитываться от более высокого напряжения, формируемого схемой «подхвата» напряжения.
Такой схеме УНВП присущи следующие недостатки.
1. Запитывание схемы управления от повышенного напряжения приводит к дополнительному расходу мощности и, следовательно, к снижению КПД источника питания.
2. Напряжение, получаемое на выходе схемы «подхвата» напряжения, имеет невысокую стабильность, поскольку снимается с выхода фильтра.
3. Перевод питания схемы управления с пониженного напряжения на повышенное (на 10%) может отрицательно сказаться на работе схемы управления.
Это особенно характерно для работы генератора, выполненного на элементах КМДП-ИС. Известно, что период работы такого генератора, а, следовательно, и частота его работы зависят от напряжения питания (Uпит). Последнее обусловлено тем, что напряжение порога переключения (Uп.пер) логических КМДП-ИС зависит от напряжения питания логического элемента и определяется по формуле Uп.пер≈Uпит/2.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому УВНП является УНВП, приведенный на фиг. 2 (Типовая схема применения микросхемы. fAN4800, стр. 17).
УВНП содержит токозадающий резистор Rt, силовой трансформатор с дополнительной обмоткой 1, выпрямительный диод 2, электролитический конденсатор 3, резистор 4, накопительный электролитический конденсатор 5, стабилитрон 6, узел блокировки включения схемы управления 7, имеющей три вывода, при этом первый вывод токозадающего резистора Rt подключен к плюсовой шине входного напряжения питания, а второй его вывод подключен к катоду стабилитрона 6, к плюсовой обкладке накопительного электролитического конденсатора 5, к первому выводу узла блокировки включения схемы управления 7 и ко второму выводу резистора 4, первый вывод которого подключен к плюсовому выводу электролитического конденсатора 5 и к катоду выпрямительного диода 2, анод которого подсоединен к первому выводу дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, при этом второй вывод этой обмотки, минусовые выводы электролитических конденсаторов 3 и 5, анод стабилитрона 6 и третий вывод узла блокировки включения схемы управления 7 подключены к минусовой шине входного напряжения питания, а второй вывод этой схемы подключен к схеме управления преобразователя, при этом анод стабилитрона 6 является выходом схемы.
Рассмотрим работу схемы прототипа.
При включении входного напряжения питания происходит заряд накопительного электролитического конденсатора 5 через токозадающий резистор Rt. Схема управления (СУ) преобразователя ВИП при этом не работает, благодаря узлу блокировки включения схемы управления 7, который запрещает работу СУ. При достижении на электролитическом конденсаторе 5 необходимого количества энергии, узел блокировки включения схемы управления 7 отключается, и тем самым разрешается работа СУ преобразователя ВИП. Когда напряжение на стабилитроне 6 станет равным напряжению его стабилизации, то на дополнительной обмотке 1 силового трансформатора, возникнет переменное напряжение, которое после выпрямления на диоде 2 и фильтрации этого напряжения на электролитическом конденсаторе 3, через резистор 4 поступит на катод стабилитрона 6. И теперь вся схема запитывается от дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, обладающей меньшим числом витков, чем его основная обмотка и, следовательно, меньшим напряжением.
Такой схеме УВНП присущи следующие основные недостатки.
1. Медленное включение напряжения внутреннего питания на выходе УВНП, обусловленное большой постоянной времени заряда конденсатора 5: емкость конденсатора 5 составляет десятки мкФ, а номинал резистора - килоомы.
2. Наличие электролитических конденсаторов (в том числе танталовых), принципиально необходимых в схеме, понижает надежность схемы УВНП. Это связано с тем, что по отказам конденсаторы занимают вторую позицию (26%) после силовых полупроводников (36%). Причем имеет место такое распределение отказов среди конденсаторов:
- электролитические конденсаторы -50%;
- танталовые конденсаторы - 38%;
- многослойные конденсаторы - 5%;
- остальные конденсаторы - 7%. (Алексей Антонов. Основные причины отказа источников питания. Электронные компоненты. №5, 2014).
3. Электролитические конденсаторы (в бортовых ВИП - это танталовые конденсаторы) занимают много места на подложке (плате), что приводит к увеличению габаритов УВНП и, следовательно, к снижению такого важного показателя как удельная мощность всего ВИП.
4. Принципиальное наличие в схеме резистора 4, обусловленное необходимостью задания тока стабилизации в стабилитрон 5, приводит к дополнительному расходу мощности и, следовательно, к снижению КПД всего ВИП.
5. В схеме отсутствует возможность подстройки выходного напряжения внутреннего питания, что снижает ее функциональные возможности.
6. Наличие в составе УВНП узла блокировки включения схемы управления приводит к заметному усложнению всей схемы УВНП.
Здесь следует указать, что схема УВНП, аналогичная приведенной на фиг. 2, используется в типовых модулях питания СПН. И в них, в качестве узла блокировки включения схемы управления, применяется микросхема К1171СП73Т ТУГК, в качестве накопительного электролитического конденсатора 5 используется танталовый конденсатор емкостью в 33 мкФ: конденсатор К53-22-16В-33 мкФ, в качестве стабилитрона 6 используется стабилитрон 2С21ЖСМ3, а в качестве токозадающего резистора Rt применяется резистор номиналом в 5.6 кОм.
Целью полезной модели являются повышение КПД, повышение надежности, сокращение времени включения напряжения на выходе УВНП и расширение функциональных возможностей.
Поставленная цель достигается тем, что в схему УВНП, содержащую токозадающий резистор Rt, первый вывод которого подключен к плюсовой шине источника входного напряжения питания, дополнительную обмотку 1 силового трансформатора, первый вывод которой подключен к аноду выпрямительного диода 2, а его катод подсоединен к первой обкладке конденсатора 3, вторая обкладка которого и второй вывод дополнительной обмотки 1 силового трансформатора, подключены к минусовой шине входного напряжения питания, введены регулируемые стабилитроны 4, 8, транзисторы 5, 7, диоды 6, 11 и резисторы обратной связи 9, 10, при этом катод регулируемого стабилитрона 4 подключен к второму выводу токозадающего резистора Rt, к своему управляющему входу и к базе транзистора 5, а анод регулируемого стабилитрона 4 подключен к катоду регулируемого стабилитрона 8 и к базе транзистора 7, при этом коллектор транзистора 5 подключен к первому выводу токозадающего резистора Rt, а его эмиттер подсоединен к аноду диода 6, катод которого подсоединен к коллектору транзистора 7 и к катоду диода 11, анод которого подключен к катоду диода 2, при этом эмиттер транзистора 7, являющийся выходом схемы, подсоединен к первому выводу резистора обратной связи 9, второй вывод которого подключен к первому выводу резистора обратной связи 10 и к управляющему входу регулируемого стабилитрона 8, а второй вывод резистора обратной связи 10 и анод регулируемого стабилитрона 8 подсоединены к минусовой шине входного источника напряжения питания.
На фиг. 3 представлена схема предлагаемого УВНП.
Схема содержит токозадающий резистор Rt, дополнительную обмотку 1 силового трансформатора, выпрямительный диод 2, конденсатор 3, регулируемые стабилитроны 4, 8, транзисторы 5, 7, диоды 6, 11, резисторы обратной связи 9, 10.
При этом катод регулируемого стабилитрона 4 подключен ко второму выводу токозадающего резистора Rt, к своему управляющему входу и к базе транзистора 5, а анод регулируемого стабилитрона 4 подключен к катоду регулируемого стабилитрона 8 и к базе транзистора 7, при этом коллектор транзистора 5 подключен к первому выводу токозадающего резистора Rt, а его эмиттер подсоединен к аноду диода 6, катод которого подсоединен к коллектору транзистора 7 и к катоду диода 11, анод которого подключен к катоду диода 2 и к первой обкладке конденсатора 3. При этом эмиттер транзистора 7, являющийся выходом схемы, подсоединен к первому выводу резистора обратной связи 9, второй вывод которого подключен к первому выводу резистора обратной связи 10 и к управляющему входу регулируемого стабилитрона 8, а второй вывод резистора обратной связи 10 и анод регулируемого стабилитрона 8 подсоединены к минусовой шине входного источника напряжения питания.
Предлагаемая схема УВНП работает следующим образом.
При включении напряжения питания по цепи токозадающий резистор Rt, регулируемые стабилитроны 4 и 8 протекает ток стабилизации, обеспечивающий включение регулируемых стабилитронов 4 и 8 в рабочее состояние. Токи в базы транзисторов 5 и 7 задаются с учетом получения требуемого тока для питания схемы управления. Поскольку в схеме УВНП отсутствуют накопительные конденсаторы, то скорость формирования рабочего напряжения на выходе схемы УВНП практически определяется только частотными свойствами транзисторов, работающих в линейном режиме. А это означает, что напряжение на выходе УВНП сформируется очень быстро, т.е. практически без задержки. При установке напряжения на выходе схемы «подхвата», т.е. на конденсаторе 3, это напряжение через выпрямительный диод 2 и диод 6 поступит на эмиттер транзистора 4, и закроет данный транзистор, в силу того, что вновь установленное напряжение на конденсаторе 3 больше по величине, чем напряжение на его базе. В результате, при выходе схемы на рабочий режим, напряжение на коллекторе транзистора 7 окажется примерно на 2 вольта выше, чем напряжение на его базе, т.е. он будет работать в линейном режиме. Малое напряжение между коллектором и эмиттером обеспечит и малую потерю мощности на транзисторе 7 и, следовательно, более высокое КПД схемы УВНП.
С помощью резисторов обратной связи 9 и 10 возможно осуществлять подстройку напряжения на выходе УВНП.
Дальнейшего снижения потребляемой мощности схемой УВНП можно достичь, если в ней, вместо транзисторов 4 и 5, применить схему Дарлингтона или МОП транзисторы.
В качестве схемы «подхвата» напряжения допускается использование любой другой схемы, включая, приведенную на фиг. 1.
В последнем случае, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора 7, будет минимальной.