Генератор запуска для источника электропитания с высоковольтным входом

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к импульсным преобразователям напряжения, и предназначена для использования при разработке источников электропитания с бестрансформаторным входом.
При проектировании источников электропитания с импульсными преобразователями напряжения необходимо решать схемотехническую задачу по формированию цепи питания схемы управления (СУ) преобразователем, включающей в свой состав ШИМ-контроллер. При коммутации напряжения на входные клеммы источника электропитания, для пуска импульсного преобразователя напряжения необходимо сформировать напряжение питания СУ преобразователем напряжения. Эта задача усложняется при условии, если источник электропитания работает от высоковольтного входа, например от сетевого напряжения переменного тока 380 В 50 Гц или от напряжения постоянного тока, уровнем не менее 300 В. Для электропитания СУ преобразователем напряжения необходимо сформировать цепь электропитания уровнем 12-18 В. На время переходного процесса включения преобразователя напряжения для запуска СУ требуется импульсная мощность, величиной в несколько Ватт в течение интервала времени продолжительностью несколько микросекунд.
вх
пит.су
Известно устройство активного пуска [1], а также его модификации, описанные так же в данном справочнике [1]. Схема устройства активного пуска показана на фиг. 1. Входное напряжение источника питания подается на вход «U» устройства активного пуска - на делитель напряжения, собранный на стабилитроне 7 и резисторах 5, 6. Номинал резистора 5 задает величину тока, протекающего через МОП-транзистор 8, диод 9, необходимого для запуска СУ источником питания. Делитель напряжения, собранный на резисторах 5, 6 задает уровень напряжения питания СУ «U» источником.
ref
ref
Установкой стабилитрона 7 в цепь затвора МОП-транзистора 8 ограничивается уровень напряжения, при котором открывается транзистор. Конденсатор 4 является накопителем энергии, которой должно быть достаточно для переключения транзистора 8 в открытое состояние. После запуска и выхода на номинальный режим работы источник питания формирует напряжение «U». Напряжение «U» через делитель напряжения, собранный на резисторах 1 и 2, поступает в цепь базы биполярного транзистора 3. Транзистор 3 открывается и шунтирует цепь затвора МОП-транзистора 8. Таким образом, устройство активного пуска выключается.
пит.су
Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого устройства, является наличие стабилитрона, ограничивающего уровень напряжения включения МОП-транзистора, делителя напряжения, задающего уровень напряжения питания «U», и наличие цепи, отключающей устройство активного пуска.
Недостатками аналога являются:
вх
вх
вх
вх
- при работе источника электропитания от входного напряжения, уровнем U=300-700 В коммутационные выбросы напряжения в цепи сток-исток МОП-транзистора 8 могут достигать величины 2U, а следовательно, превышать допустимый уровень напряжения сток-исток МОП-транзистора устройства активного пуска. При выходе источника электропитания на номинальный режим работы элементы цепи активного пуска (фиг. 1) остаются под потенциалом входного напряжения «U». Это потребует введение в схему цепи, ограничивающей выброс напряжения между стоком и истоком МОП-транзистора 8. Таким образом, при увеличении уровня входного напряжения «U» будут увеличиваться габариты элементов схемы устройства активного пуска, а надежность устройства будет снижаться;
пит.су
- для обеспечения запуска СУ источником питания в работу при подаче входного напряжения на входные клеммы источника питания необходимо обеспечить импульсный ток величиной не менее 1 А в цепи питания СУ «U» (фиг. 1). Это потребует увеличения мощности и габаритов резисторов 5, 6;
вых
- невозможность использования в импульсных источниках электропитания, СУ которыми включена относительно потенциала выходного напряжения «-U».
вых
вх
Рассматриваемые источники электропитания характеризуются тем, что СУ импульсным преобразователем напряжения включается в цепь источника относительно шины «-U». Понижающие стабилизированные преобразователи напряжения как AC/DC-типа, так и DC/DC-типа, часто построены именно по такой структуре. Устройство активного пуска формирует напряжение питания для варианта СУ, которая включена относительно шины «-U».
Разработка генератора запуска (ГЗ) для источника электропитания с высоковольтным входом решает проблему включения источников электропитания, построенных по различным структурно-функциональным схемам, включая приведенную на фиг. 2.
вх
вых
ГЗ обеспечивает электропитанием СУ источника на интервал времени от подачи напряжения на входные клеммы «U» до момента формирования выходного напряжения «U» источника заданного уровня.
При разработке электрической принципиальной схемы ГЗ за прототип была взята типовая схема включения микросхемы 1114ЕУ7У АЕЯР.431000.379-01 ТУ производства АО «НПП Элтом» (г. Томилино) [2]. Схема прототипа приведена на фиг. 3. Прототип представляет собой импульсный однотактный преобразователь напряжения. Схема преобразователя напряжения построена на микросхеме ШИМ-контроллера 10, импульсного трансформатора 15 и транзистора 16, работающего в ключевом режиме.
вх
сс
ос
fb
ref
т
т
Входное напряжение «+U» подается на верхний вывод первичной обмотки импульсного трансформатора, положительный вывод входного электролитического конденсатора 1 и на вывод «U» цепи питания ШИМ-контроллера 10. Внешний сигнал обратной связи «U» подается на первый вывод резистора 2. Второй вывод резистора 2 соединен с первым выводом резистора 3, первым выводом резистора 4, первым выводом конденсатора 7 и выводом «U» цепи обратной связи ШИМ-контроллера. Вывод «СОМР» усилителя сигнала рассогласования ШИМ-контроллера соединен со вторым выводом резистора 4 и вторым выводом конденсатора 7. Вывод «U» цепи опорного напряжения ШИМ-контроллера соединен с первым выводом резистора 6 и первым выводом конденсатора 5. Вывод «R/C» ШИМ-контроллера соединен со вторым выводом резистора 6 и с первым выводом конденсатора 8. Входной сигнал «внешняя синхронизация» соединен со вторым выводом конденсатора 8 и с первым выводом резистора 9.
вх
вх
сс
ref
Вывод «OUT» силового выхода ШИМ-контроллера соединен с первым выводом резистора 13 и катодом диода 11. Вывод «Isen» цепи обратной связи по току ШИМ-контроллера соединен с первым выводом резистора 14, первым выводом конденсатора 12 и анодом диода 11. Второй вывод резистора 13 соединен с затвором ключевого транзистора 16. Второй вывод резистора 14 соединен с первым выводом резистора 17 и истоком ключевого транзистора 16. Сток ключевого транзистора 16 соединен с нижним выводом первичной обмотки импульсного трансформатора. Вывод «GND» ШИМ-контроллера соединен с отрицательным выводом электролитического конденсатора 1, вторыми выводами резисторов 3, 9, 17, со вторыми выводами конденсаторов 5, 12 и клеммой отрицательного потенциала входного напряжения «-U». Работой рассматриваемого однотактного преобразователя напряжения управляет микросхема ШИМ-контроллера 10. Входное напряжение электропитания U подается на контакт «U» ШИМ-контроллера. Стабилизатор напряжения, входящий в состав ШИМ-контроллера, формирует опорное напряжение для питания генератора пилообразного напряжения и поступает на вывод «U».
Частота генератора пилообразного напряжения определяется по формуле:
,
т
т
в которой частотозадающие элементы: резистор R (кОм); конденсатор C(мкФ), соответствуют элементам на фиг. 3 - резистору 6 и конденсатору 8.
ос
fb
ос
Сигнал обратной связи «U» поступает на вывод «U» ШИМ-контроллера через делитель напряжения, собранный на резисторах 2, 3. На выводе ШИМ-контроллера «OUT» формируется последовательность импульсов в форме меандра. Частота импульсов задается работой генератора пилообразного напряжения, который входит в состав ШИМ-контроллера 10. Длительность импульсов меняется в зависимости от уровня сигнала в цепи обратной связи «U». Последовательность импульсов поступает на затвор транзистора 16, работающего в ключевом режиме. Величина резистора 13 задает время перехода транзистора 16 во включенное состояние. Диод 11 включен в цепь затвора транзистора 16 для снижения времени перехода транзистора 16 в закрытое состояние. Резистор 17 выполняет функцию датчика тока в цепи истока транзистора 16. Сигнал с датчика тока (падение напряжения на резисторе 17) поступает на вывод «Isen» ШИМ-контроллера.
вх
С ростом падения напряжения на резисторе 17 длительность выходных импульсов ШИМ-контроллера плавно уменьшается. При коммутации ключевого транзистора 16 в цепи первичной обмотки формируется переменное напряжение частотой, заданной генератором ШИМ-контроллера и уровнем напряжения, который задается величиной напряжения U и скважностью последовательности импульсов на выводе «OUT» ШИМ-контроллера 10. Во вторичной обмотке импульсного трансформатора 15 формируется переменное напряжение, величина которого задается коэффициентом трансформации.
Недостатками прототипа являются:
вх
- работа однотактного преобразователя напряжения характеризуется тем, что в момент перехода транзистора в закрытое состояние формируется импульсный выброс напряжения на стоке (коллекторе) ключевого транзистора уровнем примерно 2U, поэтому ГЗ, выполненный по структурной схеме на основе фиг. 3, нельзя применять в источниках электропитания с высоковольтным входом;
- импульсный преобразователь напряжения, используемый в составе источника электропитания, является дополнительным источником электромагнитных помех, что нежелательно для аппаратуры потребителя, чувствительной к высокочастотным гармоникам;
- в связи с тем, что режим работы импульсного преобразователя напряжения длительный и непрерывный, снижается ресурс источника электропитания.
При разработке ГЗ для источника электропитания с входным напряжением не менее 300-700 В за основу для разработки взята схема прототипа. При работе в составе DC/DC-преобразователя напряжения ГЗ устанавливается непосредственно во входную цепь источника питания после входного фильтра. При работе в составе AC/DC-преобразователя напряжения ГЗ устанавливается после входного выпрямителя источника питания. ГЗ должен включаться при коммутации напряжения питания на входные клеммы источника электропитания. Схема предложенной модели генератора для запуска источника питания с высоковольтным входом показана на фиг. 4.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является улучшение электрических и эксплуатационных характеристик взятой за прототип типовой схемы включения микросхемы 1114ЕУ7У АЕЯР.431000.379-01 ТУ, а именно:
сс
вх
- в схеме предложенного ГЗ ограничивается уровень импульсного напряжения на стоке (коллекторе) ключевого транзистора с помощью стабилитрона, а на выводе питания U микросхемы ШИМ-контроллера - с помощью делителя напряжения и стабилитрона, такое решение позволяет включать модель ГЗ во входную цепь источника питания с уровнем U не менее 300-700 В;
вых
- ГЗ является преобразователем напряжения, формирующим импульсы напряжения для включения и кратковременного поддержания работы СУ источником питания, далее при запуске источника питания (фиг. 2) в работу, после выхода на номинальный режим стабилизации напряжения U, происходит отключение ГЗ с помощью оптронного МОП-реле, таким образом ГЗ не влияет на уровень пульсаций выходного напряжения;
- режим работы ГЗ кратковременный, несколько секунд, за счет чего увеличивается ресурс источника электропитания.
сс
fb
ref
т
т
вх
вых
сс
вх
пит.су
пит.су
вх
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее микросхему ШИМ-контроллера, первый электролитический конденсатор, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый керамический конденсатор, четвертый резистор, второй керамический конденсатор, третий керамический конденсатор, четвертый керамический конденсатор, пятый резистор, шестой резистор, импульсный трансформатор, ключевой транзистор, седьмой резистор, положительный вывод первого электролитического конденсатора подключен к выводу «U» ШИМ-контроллера, общая точка между первым, вторым, третьим резистором и вторым керамическим конденсатором соединена с выводом «U» ШИМ-контроллера, вторые выводы третьего резистора и второго керамического конденсатора подключены к выводу «СОМР» ШИМ-контроллера, общая точка между первым керамическим конденсатором и четвертым резистором подключена к выводу «U» ШИМ-контроллера, причем второй вывод четвертого резистора соединен с третьим керамическим конденсатором и выводом «R/C» ШИМ-контроллера, вывод «OUT» ШИМ-контроллера через пятый резистор подключен к базе ключевого транзистора, эмиттер ключевого транзистора соединен с седьмым резистором и через шестой резистор подключен к выводу «Isen» ШИМ-контроллера и к четвертому керамическому конденсатору, коллектор ключевого транзистора соединен с начальным выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, общая точка между отрицательным выводом первого электролитического конденсатора, выводом «GND» ШИМ-контроллера, вторыми выводами второго, седьмого резистора и первого, третьего, четвертого керамического конденсатора соединена с входной клеммой отрицательного потенциала «-U» источника электропитания, дополнительно введены в схему устройства первый стабилитрон, восьмой резистор, МОП-реле, девятый резистор, второй стабилитрон, десятый резистор, одиннадцатый резистор, третий стабилитрон, второй электролитический конденсатор, двенадцатый резистор, выпрямительный диод, третий электролитический конденсатор, на катод первого стабилитрона поступает внешний сигнал обратной связи, пропорциональный выходному напряжению источника питания, анод первого стабилитрона через восьмой резистор подключен к аноду светодиода МОП-реле, катод светодиода МОП-реле подключен к выходной клемме отрицательного потенциала источника питания «-U», сток первого транзистора МОП-реле через девятый резистор подключен к общей точке между десятым резистором, катодом второго стабилитрона и выводом «U» ШИМ-контроллера, соединенные между собой положительный вывод второго электролитического конденсатора, катод третьего стабилитрона и первичная обмотка импульсного трансформатора через одиннадцатый резистор подключены ко второму выводу десятого резистора и к входной клемме положительного потенциала «+U» источника электропитания, параллельно базе-эмиттеру ключевого транзистора подключен двенадцатый резистор, начальный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с анодом выпрямительного диода, при этом катод выпрямительного диода подключен к положительному выводу третьего электролитического конденсатора и к выходной клемме устройства положительного потенциала «+U», конечный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с отрицательным выводом третьего электролитического конденсатора и с выходной клеммой устройства отрицательного потенциала «-U», сток второго транзистора МОП-реле, анод второго и третьего стабилитронов, отрицательный вывод второго электролитического конденсатора подключены к входной клемме отрицательного потенциала «-U» источника электропитания.
На фиг. 4 представлена электрическая схема ГЗ для источника электропитания с высоковольтным входом. В схеме обозначено:
ГЗ построен на основе известного прототипа [2] и может быть включен в схему источника электропитания, работающей от входного напряжения широкого диапазона, уровнем не менее 300-700 В.
Рассмотрим состав и работу предлагаемого ГЗ.
вх
сс
Клемма «+U», на которую подается входное напряжение источника питания, подключена к точке соединения входных выводов десятого резистора 23 и одиннадцатого резистора 24. Выход десятого резистора 23 подключен к выводу питания «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10. Выход одиннадцатого резистора 24 подключен к катоду третьего стабилитрона 25, положительному выводу второго электролитического конденсатора 26 и конечному выводу первичной обмотки импульсного трансформатора. Начальный вывод первичной обмотки импульсного трансформатора подключен к коллектору ключевого транзистора 16.
ос
вых
сс
вх
fb
Внешний сигнал обратной связи «U» по напряжению поступает на катод первого стабилитрона 18, анод которого подключен к выводу восьмого резистора 19, другой вывод которого подключен к аноду светодиода МОП-реле 20, катод светодиода МОП-реле 20 подключен к клемме отрицательной полярности выходного напряжения источника питания «-U». Сток одного транзистора МОП-реле 20 подключен к выводу девятого резистора 21, второй вывод которого подключен к выводу питания «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10. Сток второго транзистора МОП-реле 20 подключен к общему проводу устройства. Общий провод соединен с входной клеммой устройства, на которую подается отрицательный потенциал входного напряжения «-U». Второй вывод девятого резистора 21 подключен к катоду второго стабилитрона 22, положительной клемме первого электролитического конденсатора 1 и выводу первого резистора 2 делителя напряжения. Другой вывод первого резистора 2 подключен к выводу второго резистора 3 делителя напряжения, выводу третьего резистора 4, выводу второго керамического конденсатора 7 и выводу цепи обратной связи U» микросхемы ШИМ-контроллера 10.
ref
т
т
Второй вывод третьего резистора 4 соединен со вторым выводом второго керамического конденсатора 7 и выводом «COMP» - цепью, задающей коэффициент усиления внутреннего усилителя сигнала рассогласования микросхемы ШИМ-контроллера 10. Вывод источника опорного напряжения «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10 подключен к выводу четвертого резистора 6 и выводу первого керамического конденсатора 5. Второй вывод четвертого резистора 6 подключен к выводу частотно-задающей цепи «R/C» микросхемы ШИМ-контроллера 10 и выводу третьего керамического конденсатора 8.
Выход микросхемы ШИМ-контроллера «OUT» соединен с выводом пятого резистора 13. Другой вывод пятого резистора 13 соединен с выводом базы ключевого транзистора 16. Между выводами базы и эмиттера ключевого транзистора 16 включен двенадцатый резистор 27. Вывод обратной связи по току «Isen» микросхемы ШИМ-контроллера 10 подключен к выводу шестого резистора 14 и к выводу четвертого керамического конденсатора 12. Другой вывод шестого резистора 14 соединен с эмиттером ключевого транзистора 16 и общим проводом устройства через седьмой резистор 17.
вх
Входная клемма отрицательной полярности «-U» устройства соединена с анодами второго и третьего стабилитронов 22, 25, отрицательным выводом первого электролитического конденсатора 1, другим выводом второго резистора 3 делителя напряжения, вторыми выводами первого, третьего, четвертого керамических конденсаторов 5, 8, 12, эмиттером ключевого транзистора 16 и выводом «GND» ШИМ-контроллера.
пит.су
пит.су
В цепь вторичной обмотки импульсного трансформатора 15 включен выпрямительный диод 28, анод которого подключен к началу вторичной обмотки, а катод - к выходной клемме устройства положительного потенциала «+U». Конечный вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к выходной клемме устройства отрицательного потенциала «-U». Между выходными клеммами устройства включен фильтрующий третий электролитический конденсатор 29.
Устройство работает следующим образом.
ГЗ для источника электропитания выполнен на основе схемы однотактного обратноходового преобразователя напряжения. Элементом, формирующим генерацию последовательности импульсов на выходе устройства, является микросхема ШИМ-контроллера 10. В состав микросхемы ШИМ-контроллера 10 входит транзисторный каскад, который усиливает выходной сигнал по току. Это позволяет подключать к выходной цепи микросхемы ШИМ-контроллера 10 как цепь затвора МОП-транзистора, так и цепь базы биполярного транзистора.
Для рассмотренных схем (фиг. 3 и 4) применяются транзисторы средней мощности. Применение в полезной модели биполярного транзистора обусловлено требованиями конструктивной компоновки устройства и не является принципиальным отличительным фактором от прототипа (фиг. 3), в котором применен МОП-транзистор. Отечественная промышленность обеспечивает выпуск большой номенклатуры биполярных транзисторов средней мощности в различных корпусах и с широким диапазоном рабочей температуры. Также не является отличительным фактором от прототипа установка двенадцатого резистора 27 в цепь эмиттер-база ключевого транзистора 16.
вх
вх
ос
вых
Входные клеммы ГЗ: «+U», «-U» подключаются непосредственно к цепи входного напряжения источника питания. Клемма «U» подключается в выходную цепь источника электропитания, а клемма «-U» подключается к выходной клемме отрицательного потенциала источника электропитания.
вх
сс
Напряжение постоянного тока поступает на входную клемму устройства «+U» и на стабилизатор напряжения, состоящий из десятого резистора 23 и второго стабилитрона 22. Значение напряжения стабилизации стабилитрона выбирается исходя из необходимого напряжения электропитания «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10.
вх
ст.22
ст.22
Номинал десятого резистора 23 выбирается исходя из отношения разности напряжений (U - U) к величине тока стабилизации второго стабилитрона 22, где U - напряжение стабилизации стабилитрона 22.
Десятый резистор 23 ограничивает величину тока заряда первого электролитического конденсатора 1. Первый электролитический конденсатор 1 и второй электролитический конденсатор 26 являются накопителями энергии.
Энергия, накопленная в емкостных накопителях:
где С - емкость конденсатора;
U - значение напряжения, приложенного к конденсатору.
Величина емкости этих конденсаторов выбирается с учетом температурного диапазона работы ГЗ для источника электропитания. При коммутации входного напряжения происходит заряд первого электролитического конденсатора 1 до напряжения, уровнем достаточным для включения микросхемы ШИМ-контроллера 10, происходит запуск внутреннего генератора микросхемы ШИМ-контроллера 10. На осциллограмме №1 фиг. 5 - это момент времени t1.
fb
fb
Генератор формирует последовательность импульсов частотой, величина которой определяется номиналами третьего керамического конденсатора 8 и четвертого резистора 6. Последовательность импульсов формируется в выходной цепи «OUT» микросхемы ШИМ-контроллера 10 (показана на осциллограмме №2 фиг. 5), поступает в цепь базы ключевого транзистора 16. Для работы микросхемы ШИМ-контроллера 10 управляющими сигналами являются напряжения, приложенные к входам «U» и «COMP». Процесс формирования выходных импульсов зависит от уровня напряжения на выводе «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10. Этот уровень задается номиналами первого и второго резисторов 2, 3 делителя напряжения. Номиналы третьего резистора 4 и второго керамического конденсатора 7 определяют коэффициент усиления сигнала рассогласования внутреннего операционного усилителя, входящего в состав ШИМ-контроллера 10.
ref
Первый керамический конденсатор 5 выполняет функцию фильтрующего конденсатора для цепи опорного напряжения «U».
На пятом резисторе 13 и двенадцатом резисторе 27 собран выходной делитель напряжения микросхемы ШИМ-контроллера 10, который задает величину тока базы ключевого транзистора 16.
пит.су
пит.су
Элементы - одиннадцатый резистор 24, третий стабилитрон 25, второй электролитический конденсатор 26 образуют стабилизатор напряжения и накопитель энергии, которая через импульсный трансформатор 15 передается на выходные клеммы ГЗ «+U», «-U» для запуска СУ источником питания (фиг. 2).
вх
вх
Питание накопителя энергии осуществляется непосредственно от входной цепи источника питания, то есть с клемм «+U», «-U».
Величина входного напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора 15 ограничена напряжением стабилизации третьего стабилитрона 25.
Величина импульсного тока через первичную обмотку импульсного трансформатора 15 ограничивается одиннадцатым резистором 24. Второй электролитический конденсатор 26, подключенный к выводу первичной обмотки импульсного трансформатора, выполняет функцию накопителя энергии. Величина энергии, запасенной в первичной обмотке импульсного трансформатора 15, прямо пропорциональна току:
Индуктивность L первичной обмотки импульсного трансформатора определяется из соотношения:
Величина энергии Е, накопленной в индуктивности первичной обмотки импульсного трансформатора 15, должна быть достаточной для обеспечения требуемой импульсной мощности в цепи нагрузки, то есть для цепи питания СУ преобразователем напряжения, вариант которого показан на фиг. 2.
Импульсный режим работы ключевого транзистора 16 показан на осциллограмме №3 фиг. 5 (форма импульсного напряжения в цепи коллектор-эмиттер транзистора).
пит.су
пит.су
В момент закрытого состояния ключевого транзистора 16 накопленная энергия передается в цепь вторичной обмотки трансформатора и в нагрузку - цепь питания СУ (клеммы «+U», «-U») преобразователем напряжения (фиг. 2).
На осциллограмме №4 фиг. 5 показана форма импульса на вторичной обмотке импульсного трансформатора 15, в цепи анода выпрямительного диода 28.
На осциллограмме №5 фиг. 5 показана форма импульсного напряжения на выходе ГЗ.
Осциллограммы, приведенные на фиг. 5, поясняют алгоритм работы ГЗ для источника питания.
вх
вх
сс
сс
В момент включения, то есть при подаче входного напряжения на клеммы «+U» и «-U», начинает увеличиваться напряжение на первом электролитическом конденсаторе 1 (участок «а» на осциллограмме №1 фиг. 5) и на втором электролитическом конденсаторе 26. В момент времени t1 напряжение на первом электролитическом конденсаторе 1 и на выводе «U» становится равным напряжению включения микросхемы ШИМ-контроллера 10. После включения микросхемы ШИМ-контроллер 10 формирует на своем выходе (вывод «OUT») выходной импульс, амплитудой равной напряжению 2U, соответствующему напряжению включения микросхемы ШИМ-контроллера 10. Далее на интервале времени t1-t2 формируется выходной импульс микросхемы ШИМ-контроллера 10, показанный на осциллограмме №2. Под действием тока нагрузки в цепи питания «U» микросхемы ШИМ-контроллер 10 происходит падение напряжения - в интервале времени t1-t2 напряжение на первом электролитическом конденсаторе 1 уменьшается (интервал «б» на осциллограмме №1), как следствие амплитуда импульса на выходе «OUT» микросхемы ШИМ-контроллер 10 спадает как это показано на осциллограмме №2.
сс
сс
Уменьшение напряжения на выводе «U» питания микросхемы ШИМ-контроллера 10 объясняется тем, что после запуска внутреннего генератора микросхема ШИМ-контроллера 10 начинает работать, формируя на выводе «OUT» выходной импульс, который открывает ключевой транзистор 16. При этом потребление мощности по цепи питания «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10 возрастает и количество энергии, накопленной в первом электролитическом конденсаторе 1, начинает уменьшаться, что как раз и видно по снижению напряжения на первом электролитическом конденсаторе 1 и показано на осциллограмме №2 - участок «б» в цепи «OUT».
Снижение напряжение на данном интервале (t1-t2) происходит от уровня U2 (соответствующему напряжению включения микросхемы ШИМ-контроллера 10) до напряжения U1 (соответствующему напряжению выключения микросхемы ШИМ-контроллера 10). Разность (U2-U1), обозначенная U, определяется гистерезисом по напряжению питания и является параметром конкретного типа микросхемы ШИМ-контроллера 10.
В данный период времени (t1-t2) ключевой транзистор 16 открыт, а по первичной обмотке импульсного трансформатора 15 протекает ток. В индуктивности первичной обмотки импульсного трансформатора 15 накапливается энергия:
где L - индуктивность первичной обмотки импульсного трансформатора. Как показано на фиг. 4 импульсный трансформатор 15 и выпрямительный диод 28 включены по схеме обратноходового преобразователя, во время открытого состояния ключевого транзистора 16, выпрямительный диод 28 не проводит выходной ток.
В момент времени t2 напряжение на первом электролитическом конденсаторе 1 снижается до нижнего уровня напряжения U1 питания микросхемы ШИМ-контроллера 10. В этот момент происходит выключение микросхемы ШИМ-контроллера 10 и пропадание на его выводе «OUT» выходного импульса. Ключевой транзистор 16 закрывается, а полярность напряжения на обмотках импульсного трансформатора 15 по закону ЭДС самоиндукции меняет знак.
кэ
Как видно из осциллограммы №3 U - напряжение коллектор-эмиттер ключевого транзистора 16. В момент закрывания ключевого транзистора 16 происходит выброс напряжения на коллекторе. Амплитуда выброса зависит от уровня входного напряжения на втором электролитическом конденсаторе 26 и величины индуктивности намагничивания Lm первичной обмотки импульсного трансформатора 15. Далее, спустя время, пик выброса падает до установившегося значения, равного напряжению на втором электролитическом конденсаторе 26. Спад напряжения до этого уровня сопровождается колебательным процессом, вид которого показан на участке «в» осциллограммы №3.
Колебание напряжения в цепи коллектор-эмиттер ключевого транзистора 16 обусловлено переходным процессом, протекающим в резонансном контуре, образованным «паразитными цепями» первичной обмотки импульсного трансформатора 15, а именно индуктивностью рассеяния Ls и межвитковой емкостью С первичной обмотки импульсного трансформатора 15. Данные «паразитные» параметры зависят от конструктивного исполнения и качества изготовления импульсного трансформатора 15.
пит.су
В момент t2 полярность напряжения на обмотках импульсного трансформатора 15 меняет свой знак. Выпрямительный диод 28 открывается и начинает проводить ток, заряжая третий электролитический конденсатор 29 и передавая энергию импульсного трансформатора 15 в цепь «U» - питания СУ источником электропитания (фиг. 2).
сс
сс
сс
пит.су
На интервале времени t2-t3 ток потребления цепью питания «U» микросхемы ШИМ-контроллера 10 практически равен нулю, при этом идет заряд первого электролитического конденсатора 1 и напряжение на выводе «U» начинает возрастать. Процесс заряда первого электролитического конденсатора 1 протекает до тех пор, пока напряжение в цепи «U» вновь достигнет напряжения включения микросхемы ШИМ-контроллера 10, а затем запустится ГЗ и на выходе «OUT» вновь сформируется последовательность импульсов, которые приводят ключевой транзистор 16 в работу в режиме ключа. Через первичную обмотку импульсного трансформатора 15 будет протекать импульсный ток. В трансформаторе, магнитопровод которого выполнен с зазором, запасается энергия, которая при закрытом состоянии ключевого транзистора поступает в цепь вторичной обмотки трансформатора и через выпрямительный диод поступает в выходную цепь ГЗ «U».
Форма импульсного напряжения на выходе ГЗ показана на осциллограмме №5 (фиг. 5).
Необходимым условием работоспособности ГЗ является условие равенства вольт-секундных площадей S1 и S2 (заштрихованные участки) на осциллограмме №4 (фиг. 5) в цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора 15. В противном случае произойдет насыщение магнитопровода импульсного трансформатора 15.
Процессы, происходящие на интервале времени 0-t2, повторяются в ГЗ до момента включения и выхода на номинальный режим работы СУ источником питания, показанным на фиг. 2. После запуска и завершения переходного процесса включения источника питания СУ источника питания запитывается от дополнительной обмотки силового трансформатора (Т1.3 на фиг. 2) источника питания и необходимость в работе цепи питания СУ от ГЗ пропадает.
ос
вых
сс
При этом на выходе источника питания (в состав которого входит ГЗ) устанавливается номинальное выходное напряжение. На входе ГЗ формируется сигнал U, величина которого пропорциональна номинальному значению выходного напряжения U источника питания. При этом открывается первый стабилитрон 18. Ток стабилизации первого стабилитрона 18 и ток светодиода МОП-реле 20 задаются величиной восьмого резистора 19. В выходной цепи МОП-реле 20 ток ограничивается величиной девятого резистора 21. При срабатывании МОП-реле 20 шунтируется цепь «U» питания микросхемы ШИМ-контроллера 10.
Выключается микросхема ШИМ-контроллера 10, работа ГЗ прекращается.
Таким образом, при выходе источника электропитания (фиг. 2) на номинальный режим работы ГЗ выключается. Такой алгоритм работы ГЗ обеспечивает снижение уровня паразитных шумов в выходной цепи источника питания.
вх
При несанкционированном отключении входного напряжения источника питания и последующим вновь включением, то есть при коммутации (с характерным «дребезгом») входного напряжения на клеммах «U» источника, ГЗ не запустит мгновенно источник питания, а только после накопления необходимого количества энергии в первом и втором электролитических конденсаторах 1, 26. При работе от высоковольтного входного напряжения, уровнем 300-700 В, такой алгоритм работы обеспечивает «мягкий» переходный процесс включения и повышает надежность источника питания.
В соответствии с вышеописанной полезной моделью на предприятии разработан и изготовлен генератор запуска для источника электропитания с высоковольтным входом такого исполнения, имеющий широкое применение во многих изделиях.
Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, содержащее микросхему ШИМ-контроллера, первый электролитический конденсатор, первый резистор, второй резистор, третий резистор, первый керамический конденсатор, четвертый резистор, второй керамический конденсатор, третий керамический конденсатор, четвертый керамический конденсатор, пятый резистор, шестой резистор, импульсный трансформатор, ключевой транзистор, седьмой резистор, дополнительно введены первый стабилитрон, восьмой резистор, МОП-реле, девятый резистор, второй стабилитрон, десятый резистор, одиннадцатый резистор, третий стабилитрон, второй электролитический конденсатор, двенадцатый резистор, выпрямительный диод и третий электролитический конденсатор с вышеописанными связями, улучшены электрические и эксплуатационные характеристики.
Источники информации
1. Справочник «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение». Издание 2-е - М.: ДОДЭКА, 2000. - с. 216, 300.
2. Микросхемы интегральные 1114ЕУ7У, 1114ЕУ8У, 1114ЕУ9У, 1114ЕУ10У. Технические условия АЕЯР.431000.379-01ТУ. 2005 г. - прототип.