БЛОК ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к источникам питания, и может быть использована для создания источников питания лазеров.
Известен [1] блок питания (БП) для лазерных излучающих диодов (ЛИД), содержащий устройство сравнения, транзистор и диод, использующиеся в качестве ключевого устройства, индуктивность, датчик тока, в качестве которого используется резистор.
Выход устройства сравнения электрически связан с управляющим выводом транзистора, вход устройства сравнения электрически связан с выходом датчика тока. Первые силовые выводы транзистора, диода и первый вывод индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы транзистора и диода предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод индуктивности электрически связан с первым выводом ЛИД, второй вывод которого электрически связан с входом датчика тока.
Во время работы БП когда транзистор открыт, ток источника питания течет через него, индуктивность, ЛИД и датчик тока. Когда транзистор закрыт, индуктивность поддерживает ток, текущий в цепи диод, индуктивность, ЛИД, датчик тока. Во время работы падение напряжения на транзисторе составляет величину ~0,1 В, на диоде ~0,5 В, на ЛИД 3-5 В. Энерговыделение на диоде представляет собой пассивные потери, и так как падение напряжения на диоде составляет существенную часть от падения напряжения на ЛИД, то пассивные потери на диоде являются существенными для БП [1].
Существенно меньше пассивные потери в БП, описанном в [2] и являющимся наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и выбранном в качестве прототипа.
БП [2] содержит устройство сравнения, первый и второй транзисторы, использующиеся в качестве ключевого устройства, индуктивность, датчик тока, в качестве которого используется резистор.
Первый выход устройства сравнения электрически связан с управляющим выводом первого транзистора, второй выход электрически связан с управляющим выводом второго транзистора, а вход электрически связан с выходом датчика тока. Первые силовые выводы первого и второго транзисторов и первый вывод индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы первого и второго транзисторов предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод индуктивности электрически связан с первым выводом нагрузки, второй вывод которого электрически связан с входом датчика тока, выход которого электрически связан с входом устройства сравнения.
Так как БП [2] содержит в ключевом устройстве вместо диода транзистор, падение напряжения на котором составляет величину ~0,1 В (в отличие от падения напряжения на диоде ~0,5 В), пассивные потери в БП [2] существенно меньше, чем в БП [1].
Однако маломощный сигнал с выхода устройства сравнения не может быстро открыть (или быстро закрыть) транзисторы в связи с наличием паразитных емкостей транзисторов. А слабый сигнал с выхода датчика тока приводит к увеличению времени реакции устройства сравнения.
Указанные два обстоятельства приводят к тому, что ток БП через нагрузку будет нестабильным.
Задачей настоящей полезной модели является повышение. стабильности тока через нагрузку.
Сущность полезной модели заключается в том, что блок питания, содержащий устройство сравнения, первый и второй транзисторы, индуктивность, датчик тока, первые силовые выводы первого и второго транзисторов и первый вывод индуктивности электрически связаны между собой, вторые силовые выводы первого и второго транзисторов предназначены для подачи напряжения питания, в отличие от прототипа, содержит драйвер, усилитель сигнала, первый и второй резисторы, при этом вход драйвера электрически связан с выходом устройства сравнения, со входом которого электрически связан выход усилителя сигнала, вход которого электрически связан с выходом датчика тока, первый и второй выходы драйвера электрически связаны с первыми выводами первого и второго резисторов, соответственно, вторые выводы которых электрически связаны с управляющими выводами первого и второго транзисторов, соответственно.
Введение в БП драйвера, электрическая связь входа драйвера с выходом устройства сравнения, электрическая связь первого и второго выхода драйвера с первыми выводами первого и второго резисторов, соответственно, электрическая связь вторых выводов первого и второго резисторов с управляющими выводами первого и второго транзисторов, соответственно, позволяет увеличить мощность управляющего сигнала на управляющих выводах транзисторов и обеспечить стабильное открывание транзисторов в процессе работы, и таким образом, обеспечить повышение стабильности тока через нагрузку.
Введение в БП первого и второго резисторов, первые выводы которых электрически связаны с первым и вторым выходом драйвера, соответственно, а вторые выводы которых электрически связаны с управляющими выводами первого и второго транзисторов, соответственно, позволяет увеличить время переключения первого и второго транзисторов и, во-первых, защитить выходы драйвера от импульсов напряжения, которые появляются при включении и выключении первого и второго транзисторов и проходят по паразитным емкостям первого и второго транзисторов на выходы драйвера, во-вторых, защитить управляющие выводы первого и второго транзисторов от пробоя высоким напряжением, наведенным из-за наличия паразитных емкостей транзисторов и появляющимися при включении транзистора импульсами напряжения с короткими фронтами, в- третьих, защитить схему от самопроизвольного открывания транзисторов напряжением, наведенным из-за наличия паразитных емкостей транзисторов и появляющимися при включении транзисторов импульсами напряжения с короткими фронтами.
Введение в БП усилителя сигнала, вход которого электрически связан с выходом датчика тока, а выход электрически связан с входом устройства сравнения, позволяет усилить сигнал на входе устройства сравнения, что обеспечивает стабильную работу устройства сравнения, и таким образом, обеспечивает повышение стабильности тока через нагрузку.
Полезная модель поясняется фигурой.
На фигуре представлена схема БП и подключения нагрузки.
БП содержит устройство сравнения 1, датчик тока 2, в качестве которого применен резистор 3, драйвер 4, первый 5 и второй 6 резисторы, первый и второй транзисторы 7 и 8, соответственно, индуктивность 9, усилитель 10 сигнала. Возможно и иное выполнение датчика тока 2, например, на датчике Холла.
Вход устройства сравнения 1 электрически связан с выходом усилителя 10 сигнала, а выход устройства сравнения 1 электрически связан с входом драйвера 4.
Первый выход драйвера 4 электрически связан с первым выводом первого резистора 5, второй вывод которого электрически связан с управляющим выводом первого транзистора 7. Второй выход драйвера 4 электрически связан с первым выводом второго резистора 6, второй вывод которого электрически связан с управляющим выводом второго транзистора 8.
Первые силовые выводы первого 7 и второго 8 транзисторов и первый вывод индуктивности 9 электрически связаны между собой, а вторые силовые выводы первого 7 и второго 8 транзисторов предназначены для подачи напряжения питания.
Второй вывод индуктивности 9 электрически связан с первым выводом нагрузки 11 (ЛИД), второй вывод которой и вход датчика тока 2 электрически связаны между собой.
Устройство сравнения 1 предназначено для формирования опорного сигнала, сравнения его с сигналом, поступающим на его вход с выхода усилителя 10 сигнала, и выдачи сигнала управления на вход драйвера 4. Устройство сравнения 1 выполнено на микросхеме LM397MF.
Усилитель 10 сигнала предназначен для усиления сигнала, поступающего на его вход с выхода датчика тока 2 и выполнен на микросхеме LMC7101AIM5.
В качестве датчика тока 2 используется резистор 3 типа OAR1-R010FI.
Драйвер 4 предназначен для формирования мощных управляющих сигналов для управления транзисторами 7 и 8, обеспечивая стабильное открывание и закрывание транзисторов 7 и 8. Драйвер 4 выполнен на микросхеме IR2104SPBF.
Первый 5 и второй 6 резисторы использованы типа Р1-12-0,25-10 Ом±%-М-А и предназначены для увеличения времени переключения первого 7 и второго 8 транзисторов, соответственно, что позволяет, во-первых, защитить выходы драйвера 4 от импульсов напряжения, которые появляются при включении и выключении первого 7 и второго 8 транзисторов и проходят по паразитным емкостям первого 7 и второго 8 транзисторов на выходы драйвера 4, во-вторых, защитить управляющие выводы первого 7 и второго 8 транзисторов от пробоя высоким напряжением, наведенным из-за наличия паразитных емкостей транзисторов 7 и 8 и появляющимся при включении транзисторов 7 и 8 импульсами напряжения с короткими фронтами, в-третьих, защитить схему от самопроизвольного открывания транзисторов 7 и 8 напряжением, наведенным из-за наличия паразитных емкостей транзисторов 7 и 8 и появляющимися при включении транзисторов 7 и 8 импульсами напряжения с короткими фронтами.
В качестве первого и второго транзисторов 7 и 8 применены транзисторы IRF1104PBF.
В качестве индуктивности 9 использован дроссель с индуктивностью около 100 мкГенри.
БП работает следующим образом.
При подаче напряжения питания на БП открывается первый транзистор 7 (второй транзистор 8 в это время закрыт) и ток от источника питания течет возрастая через первый транзистор 7, индуктивность 9, через нагрузку 11.
Сигнал, поступающий с выхода датчика тока 2 на вход усилителя 10 сигнала, усиливается и с выхода усилителя 10 сигнала поступает на вход устройства сравнения 1. При достижении максимального порогового значения тока через нагрузку 11 устройство сравнения 1 подает сигнал на драйвер 4, который снимает сигнал открывания с первого транзистора 7 и одновременно выдает сигнал открывания на второй транзистор 8.
Первый 5 и второй 6 резисторы увеличивают время заряда паразитных емкостей первого 7 и второго 8 транзисторов, соответственно, и уменьшают величину импульсов напряжения, которые появляются при включении и выключении первого 7 и второго 8 транзисторов и проходят по паразитным емкостям первого 7 и второго 8 транзисторов на выходы драйвера 4, что защищает драйвер 4 от указанных импульсов напряжения.
Увеличение времени переключения первого 7 и второго 8 транзисторов за счет наличия первого 5 и второго 6 резисторов уменьшает величину импульсов напряжения, наведенных из-за наличия паразитных емкостей транзисторов 7 и 8 на управляющих выводах первого 7 и второго 8 транзисторов и появляющихся при включении транзисторов 7 и 8 импульсами напряжения с короткими фронтами, что защищает их от пробоя и самопроизвольного открывания.
При закрывании первого транзистора 7 и открывании второго транзистора 8 ток, протекающий через датчик тока 2, уменьшается, и при достижении минимального порогового значения тока через нагрузку 11 устройство сравнения 1 подает сигнал на драйвер 4, который подает сигнал открывания на первый транзистор 7 и одновременно снимает сигнал открывания со второго транзистора 8. Первый транзистор 7 (второй транзистор 8 в это время закрыт) открывается, и ток от источника питания течет возрастая через первый транзистор 7, индуктивность 9, нагрузку 12 и датчик тока 2. При достижении максимального порогового значения сигнала датчика тока 2 устройство сравнения 1 подает сигнал на драйвер 4, который подает сигнал закрывания на первый транзистор 7 и одновременно сигнал открывания на второй транзистор 8.
Таким образом, ток, протекающий через датчик тока 2, периодически растет до максимального порогового значения и спадает до минимального порогового значения.
Таким образом, БП обеспечивает повышение стабильности тока через нагрузку.
Источники информации.
1 http://www.farnell.com/datasheets/87851.pdf. - 0,5 A Constant current buck regulator for driving high power LEDs. - Page 10-12.
2 http://www.farnell.com/datasheets/77082.pdf.-Adjustable-output, switch-mode current source with synchronous rectifier. - Page 7, fig.2a. - Прототип.