Импульсный лабораторный источник питания

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2. ВОЗМОЖНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

2.1 Построение источников питания системных блоков

2.2 Стабилизаторы напряжения (National Semiconductor)

3. РАЗРАБОТКА СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

4 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

4.1 Выбор и описание схемы импульсного источника напряжения

4.2 Выбор и описание схемы регулировки напряжения

4.3 Выбор и описание схемы усилителя тока

4.4 Выбор и описание схемы ограничителя тока

4.5 Выбор и описание схемы измерения и управления напряжением

5 КОНСТРУКТОРСКО — ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

5.1 Расчет теплового режима

5.2 Конструкторский анализ схемы

5.3 Расчет характеристик надежности

5.4 Разработка и изготовление опытного образца

6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ РАЗРАБОТКИ

7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Для проведения лабораторных работ, исследований и испытаний приборов необходим источник питания. Требования к источникам вторичного питания, предъявляются очень высокие. Особенно к таким параметрам, как коэффициенты пульсации и стабилизации. Так же обязательны всевозможные защиты, как самого источника так и нагрузки. Современный лабораторный источник питания помимо ручной регулировки тока нагрузки и напряжения на ней, должен иметь возможность управления через персональный компьютер (ПК). Для проведения автоматизированных исследований, с дальнейшей обработкой результатов на ЭВМ. Основными достоинствами импульсных источников питания являются улучшенные массо-габаритные характеристики и повышенное кпд. Для повышения надежности такие преобразователи снабжаются различными устройствами защиты: тепловой защитой от повышения температуры силового ключа преобразователя, токовой защитой от превышения тока в силовом ключе, защитой от повышения или понижения напряжения питающей силовой сети, зашитой от короткого замыкания в нагрузке. Все эти зашиты усложняют преобразователь, но делают его более надёжным.

Целью данного проекта является разработка импульсного лабораторного источника вторичного электропитания, предназначенного для питания лабораторных макетов и других низковольтных устройств. В настоящем устройстве должны быть предусмотрены регулировка тока и напряжения, защита от превышения напряжения, защита по току и обязательно управление источником через ПК. Разрабатываемый источник питания должен полностью удовлетворять техническому заданию.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

В настоящее время для проведения лабораторных исследований необходим лабораторный источник питания, который удовлетворял бы всем требованиям и в то же время обладал бы низкой стоимостью.

Современная промышленность и отечественная и зарубежная выпускает множество источников удовлетворяющих данным техническим требованиям.

1.1 Источник питания стабилизированный B3−701.1

Источники напряжения и тока специализированные Б3−700 ТУ 3185−016−20 883 295−98, МКИЯ.318 572.002 ТУ сертифицированы и зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 24 114−02 и допущены к применению в Российской Федерации.

Сертификат RU.С.34.005.А № 13 784.

Источники соответствуют требованиям ГОСТ 12 997–84 «Изделия ГСП. Общие технические условия» (Раздел 3 Требования безопасности).

Сертификат соответствия № РОСС RU МЕ27. Н5 027

Производится по предварительному заказу. Гарантия 24 месяца. Стоимость 11 542р.

Рисунок 1.1 — Источник питания B3−701.1

источник электропитание лабораторный конструкторский

Таблица1.1 — Характеристики источника питания B3−701.1

1.2 Источник питания стабилизированный B3−781.4

Источники напряжения и тока специализированные Б3−700 ТУ 3185−016−20 883 295−98, МКИЯ.318 572.002 ТУ сертифицированы и зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под № 24 114−02 и допущены к применению в Российской Федерации.

Сертификат RU.С.34.005.А № 13 784.

Источники соответствуют требованиям ГОСТ 12 997–84 «Изделия ГСП. Общие технические условия» (Раздел 3 Требования безопасности).

Сертификат соответствия № РОСС RU МЕ27. Н5 027

Производится по предварительному заказу. Гарантия 24 месяца. Стоимость 19 830р.

Рисунок 1.2 — Источник питания B3−781.4

Таблица1.2 — Характеристики источника питания B3−781.4

1.3 Источник питания постоянного тока программируемый серии LPS-300

MOTECH INDUSTRIES INC.

Рисунок 1.3 — Источник питания постоянного тока серии LPS-300

— Выходное напряжение 0 …30 В, выходной ток 0 …4 А

— Один выход, два диапазона установки входных параметров

(только для LPS-301 и LPS-302)

— Двухполярные источники, с третьим фиксированным выходом

(только для LPS-304 и LPS-305)

— Высокая стабильность и малый уровень пульсаций

— Дискретная установка выходных параметров (непосредственным

набором на клавиатуре или в пошаговом режиме)

— Высокое разрешение (10 мВ /1 мА)

— Режимы стабилизации тока и напряжения

— Регулировка уровня защиты от перегрузки по напряжению

— Самодиагностика и авто калибровка

— Интерфейс RS-232 (опция)

— Стоимость 27 620р.

1.4 Источник питания постоянного тока программируемый серии PPS-300

MOTECH INDUSTRIES INC.

Рисунок 1.4 — Источник питания постоянного тока серии PPS-300

— Выходное напряжение 0 …25 В, выходной ток 0 …10 А

— Один выход, два диапазона установки входных параметров

— Высокая стабильность и малый уровень пульсаций

— Дискретная установка выходных параметров

— Высокое разрешение (2 мВ /0,1 мА)

— Режимы стабилизации тока и напряжения

— Управление выходным напряжением и током внешним напряжением

— Регулировка уровня защиты от перегрузки по напряжению

— Возможность выноса точки обратной связи, для питания удаленного объекта

— Самодиагностика и авто калибровка

— Интерфейс GPIB

— Стоимость 31 265р.

1.5 Как видно у приведенных источников питания один большой недостаток, это большая стоимость. Основной задачей данного проекта является разработка лабораторного источника питания не уступающего по характеристикам заводским аналогам, но с меньшей стоимостью.

2. ВОЗМОЖНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

2.1 Построение источников питания системных блоков

Так как максимальный ток нагрузки 8А, а габариты и вес устройства ограничены техническим заданием, значит, источник питания должен быть импульсным. Однако разработка и реализация данного источника сложна и приводит к удорожанию устройства. В настоящее время промышленность производит импульсные источники для питания системных блоков ПК, с относительно небольшой стоимостью. В конструкции данных источников уже предусмотрены защиты от превышения напряжения и тока. Если использовать напряжение такого источника в качестве опорного, то достаточно разработать схему регулировки напряжения и тока, и схему управления устройством через порт ПК. Принципы построения таких источников приведены ниже.

2.1.1 Источники питания формата AT и ATX

В источнике питания формата AT (рисунок 2.1.) напряжение питания через внешний размыкатель сети, расположенный в корпусе системного блока, поступает на сетевой фильтр и низкочастотный выпрямитель. Далее выпрямленное напряжение, величиной порядка 300 В, полумостовым преобразователем преобразуется в импульсное. Развязка между первичной сетью и потребителями осуществляется импульсным трансформатором. Вторичные обмотки импульсного трансформатора подключены к высокочастотным выпрямителям +I2 В и +5 В и соответствующим сглаживающим фильтрам.

Сигнал Power Good (питание в норме), подаваемый на системную плату через 0,1.0,5 с после появления питающих напряжений +5 В, выполняет начальную установку процессора. Выход из строя силовой части источника предотвращается узлом защиты и блокировки. При отсутствии аварийных режимов работы эти цепи формируют сигналы, разрешающие функционирование широтно-импульсного модулятора (ШИМ) — контроллера, который управляет полумостовым преобразователем посредством согласующего каскада. В аварийных режимах работы осуществляется сброс сигнала P.O. Длительность открытого состояния ключей преобразователя определяет величину напряжения выходных источников. Поддержание выходных напряжений постоянному значению в контроллере обеспечивается системой управления с обратной связью, при этом в качестве ошибки используется отклонение выходного напряжения от источника +5 В.

Источник питания формата АТХ (рисунок 2.2.) отличается:

- наличием вспомогательного преобразователя;

-выпрямителя источника дежурного режима +5 B_SB;

-дополнительного источника +3,3 В;

-устройств управления дистанционным включением блока питания по сигналу PS_ON, управляющим работой ШИМ — контроллера.

Рисунок 2.1 — Структурная схема источника питания формата AT

Рисунок 2.2 — Структурная схема источника питания формата ATХ

2.1.2 Функциональные элементы блока питания

2.1.2.1 Входной фильтр

Блок питания представляет собой серьезный источник помех компьютера для бытовой телеи радиоаппаратуры. Причины помех:

— переключательный режим полупроводниковых приборов;

— наличие реактивных элементов, таких как индуктивность выводов элементов и емкость монтажа, которые приводят к возникновению паразитных автоколебаний.

Интенсивность помех существенно зависит от быстродействия транзисторов и диодов силовой части, а также длины выводов элементов и емкости монтажа. Наличие помех оказывает неблагоприятное воздействие и на работу самого блока питания, проявляющееся в ухудшении характеристик стабилизации источника.

При анализе схемотехники импульсных источников питания принято различать синфазную и дифференциальную составляющие помехи. Синфазное напряжение помехи измеряется относительно корпуса устройства с каждым из полюсов шин питания источника. Дифференциальная составляющая измеряется между полюсами шин питания (первичной, нагрузочной), еще ее определяют как разность синфазных составляющих помехи между шинами соответствующей цепи.

Наилучшим средством снижения уровня помех считается устранение их в местах возникновения, следовательно, место включения фильтра строго определено — на входе источника питания. При разработке фильтра источников питания наибольшее внимание уделяют подавлению именно синфазной и дифференциальной составляющих помех в сети.

С целью предотвращения проникновения в электрическую сеть импульсных помех, создаваемых источником питания, на его входе включается, как правило, заградительный фильтр (следует отметить, что некоторые производители, очевидно в целях экономии, пренебрегают установкой некоторых элементов фильтра). Кроме подавления помех, фильтр как входной элемент выполняет также защитную функцию в аварийных режимах эксплуатации источника питания: зашита по току, зашита от перенапряжения. В некоторых схемах источников питания в состав фильтра включают нелинейный элемент варистор, предназначенный для ограничения зарядного тока высоковольтного емкостного фильтра. В этом пункте рассмотрим только те меры, которые применяют для защиты от помех на входе источника питания.

Типовая схема заградительного фильтра источника питания системного модуля (рисунке 2.3.) включает элементы, предназначенные для подавления синфазной и дифференциальной составляющей помехи. На входе фильтра включен конденсатор С1, далее напряжение питания сети переменного тока подается на блок питания системного модуля через сетевой индуктивно-емкостной фильтр.

Рисунок 2.3 — Схема заградительного фильтра

Конденсатор С2 и дроссель L1 с соответствующим (встречным) включению обмоток снижают дифференциальную составляющую помехи. Дроссель L2, конденсаторы СЗ… С5 подавляют обе составляющие помехи.

Зашита по току осуществляется предохранителем FU1, который ограничивает ток нагрузки на уровне не более 1,25 номинального значения, а от перенапряжения осуществляется варистором RU1. При повышении напряжения питающей сети выше некоторого уровня сопротивление элемента RU1 резко уменьшается, вызывая срабатывание предохранителя. В качестве ограничителя пускового тока, а также для плавного заряда конденсаторов емкостного фильтра высоковольтного выпрямителя могут использоваться термисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Широкое распространение в источниках питания системных модулей получили термисторы фирмы SILICON GENERAL (новое название — LINFINITY MICROELECTRONICS).

2.1.2.2 Низкочастотный выпрямитель

Питание преобразователей осуществляется постоянным напряжением, которое вырабатывается низкочастотным выпрямителем (рисунок 2.4). Мостовая схема выпрямления, выполненная на диодах VD1… VD4, обеспечивает надлежащее качество выпрямления сетевого напряжения. Последующее сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется фильтром на дросселе L1 и последовательно включенных конденсаторах Cl, C2. Следует отметить, что дроссель L1 не является обязательным элементом выпрямителя фильтра. Резисторы Rl, R2 создают цепь разряда конденсаторов Cl, C2 после отключения блока питания от сети.

Возможность питания от сети 115 В реализуется введением в схему выпрямителя переключателя выбора номинала питающего напряжения. Замкнутое состояние переключателя соответствует низкому напряжению питающей сети (-115 В).

Выходное напряжение соответствует суммарному значению напряжения на конденсаторах Cl, C2. Одной из важных функций выпрямителя является, ограничение тока зарядки входного конденсатора низкочастотного фильтра, выполненное элементами, входящими в состав выпрямительного устройства блока питания. Необходимость их применения вызвана тем, что режим запуска преобразователя близок к режиму короткого замыкания. Зарядный ток конденсатора при подключении его непосредственно к сети может быть значительным и достигать нескольких десятков-сотен ампер. Здесь существует две опасности, одна из которых заключается в выходе из строя диодов низкочастотного выпрямителя, вторая — износ электрических фольговых конденсаторов входного низкочастотного фильтра при протекании больших токов через обкладки. Применение термисторов типа NTCR1 с отрицательным ТКС, включаемых последовательно в цепь заряда конденсатора, позволяет устранить нежелательные эффекты заряда входного конденсатора низкочастотного фильтра. Термистор имеет некоторое сопротивление в «холодном» состоянии, после прохождения пика зарядного тока резистор разогревается и его сопротивление становится в 20…50 раз меньше. В номинальном режиме работы оно останется низким. Преимущества этой схемы ограничения очевидны; простота и надежность. В высококачественных источниках питания используются варисторы RUl, RU2. Их применение объясняется необходимостью защиты блока от превышения напряжения в питающей сети.

Рисунок 2.4 — Низкочастотный выпрямитель

2.1.2.3 Полумостовой преобразователь

На вход преобразователя сигналы управления могут передаваться через согласующий трансформатор. В некоторых источниках роль согласующего выполняет пара отдельных трансформаторов. Однако более привлекательной с точки зрения размеров, стоимости, а следовательно, и более распространенной считается схема, использующая единый трансформатор с раздельными обмотками согласующего трансформатора (рисунок 2.5). И как следствие этого, в этих схемах рабочая обмотка импульсного трансформатора Т2 подключена к дополнительной секции одной из вторичных обмоток согласующего трансформатора через конденсатор С3.

Рисунок 2.5 — Полумостовой преобразователь Последовательное включение конденсаторов с рабочей обмоткой импульсного трансформатора позволяет устранить несимметричный характер перемагничивания трансформатора Т1 в переходных режимах работы преобразователя. Последовательно с рабочей обмоткой полумостового преобразователя может быть включена обмотка дополнительного трансформатора ТЗ [1], выполняющего функиию контроля тока нагрузки в преобразователе.

На входы активных элементов преобразователя сигналы управления со вторичных обмоток согласующего трансформатора в схемах передаются через форсирующую резисторно-конденсаторную цепь. Параллельно переходному конденсатору, как правило, емкостью в 1,0 мкФ подключена цепь, состоящая из диода и резистора, эти элементы обеспечивают быстрый разряд конденсатора. Для облегчения режима пуска преобразователя в базовых цепях ключевых транзисторов включают резисторы, устанавливающие режим «отсечки» транзисторов преобразователя так, что отпирание транзистора происходит только по сигналу управления.

В состав практически всех приведенных схем входят диоды, включенные встречно по отношению к току, протекающему через транзисторы. Эти исключается нежелательное явление «сквозных» токов при переключениях.

3.1.2.4 ШИМ — контроллер

На вход ключевых транзисторов полумостового преобразователя поступают модулированные по длительности последовательности входных импульсов. Эти сигналы формируются ШИМ — контроллером, выполненном на интегральной микросхеме TL494 (TEXAS INSTRUMENTS). Микросхема содержит [1]:

— два усилителя ошибки;

— RC-генератор;

— компаратор «паузы»;

— тактируемый триггер;

— источник опорного напряжения +5 В;

— цепи управления выходным каскадом;

— выходной каскад.

Структурная схема микросхемы (рисунок 2.6) аналогична ИМС МВ3759 (FUJITSU), КА7500 В (SAMSUNG), TL494 (MOTOROLA). Могут использоваться и другие микросхемы близкие по параметрам. Некоторые характерные отличия параметров микросхем различных производителей, составленные на основании соответствующих PDF-файлов [1], представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Сравнение параметров микросхем TL494 и ее аналогов, выпускаемых различными производителями

Рисунок 2.6 — Структурная схема микросхемы TL494

Микросхема TL494 начинает функционировать при подаче напряжения питания на вывод 12. Если рабочий диапазон питающих напряжений на этом выводе находится в пределах 7…40 В, то запускаются встроенный генератор и источник эталонного напряжения.

Генератор работает на фиксированной частоте, с этой же частотой на выводе 5 формируется пилообразное напряжение амплитудой 3,2 В. Частота следования «пилы» зависит от двух внешних компонентов: конденсатора Ст и резистора Rт; подключенным к выводам 5 и 6 соответственно. Приближенно частота генератора определяется по формуле f_Г= 1,1/(R_TC_T).

Сигналы управления длительностью выходного импульса могут поступать на вход управления «паузой» (вывод 4), входы усилителей сигнала ошибки (1, 2, 15, 16) или вход обратной связи (3). Длительность выходного импульса ШИМ-компаратора устанавливается сравнением положительного нарастающего пилообразного напряжения с двумя другими управляющими сигналами, поступающими на неинвертирующие входы соответствующих компараторов.

Вывод 3 — вход обратной связи.

Вывод 4 — «пауза». В некоторой литературе используются названия: время задержки, «мертвая зона».

Выходной транзисторный каскад открывается, когда пилообразное напряжение на входах компараторов превышает сигналы управления, поэтому увеличение амплитуды управляющих сигналов вызывает соответствующее уменьшение длительности выходных импульсов микросхемы. Обратное соотношение сигналов исключает наличие импульсов на выходах микросхемы.

Дополнительной мерой исключения явления «сквозного» тока в полумостовом преобразователе является фиксированное смещение компаратора «паузы» 0,12 В. При напряжении пилы меньшем 0,12 В и нулевом потенциале на выводе 4, на выходе компаратора будет сохраняться нулевой уровень, этот интервал соответствует максимальной длительности выходного импульса и минимальной длительности интервала «пауза», величина которой в этом случае не будет превосходить 4% от периода пилообразного напряжения. Максимальная длительность паузы соответствует напряжению равному +3,3 В на выводе 4 микросхемы.

Кроме того, с помощью входа управления «паузой» довольно просто организуется режим «медленного пуска» преобразователя. Наличие этого режима позволяет плавно запустить преобразователь в первый момент включения в электрическую сеть. Следует отметить, что режим запуска является очень тяжелым режимом работы преобразователя, все фильтровые конденсаторы разряжены, в связи с этим режим пуска близок к режиму короткого замыкания.

Транзисторы преобразователя до момента окончательного заряда конденсаторов фильтров выпрямителей должны работать в критическом режиме максимальных токов. Обеспечить комфортную работу транзисторов во время запуска преобразователя до окончания заряда конденсаторов фильтров позволяет использование режима «медленного запуска».

Главное назначение усилителей ошибки — измерение отклонения выходного напряжения и тока нагрузки с целью поддержания напряжения на выходе источника питания на постоянном уровне. В режиме стабилизации модуляция длительности величины выходных управляющих импульсов осуществляется изменением выходных сигналов усилителей ошибок, входное напряжение которых может изменяться в пределах от 0,5 до 3,5 В.

Оба усилителя могут работать в одинаковых режимах. Выходы усилителей соединены с не инвертирующим входом ШИМ — компаратора. Такая архитектура микросхемы (с управлением по цепи обратной связи) позволяет поддерживать напряжения на выходе источника питания с минимальным отклонением.

В двухтактном режиме вход управления выходными каскадами (вывод 13) подключается к источнику опорного напряжения (вывод 14). В микросхеме имеется источник опорного напряжения (вывод 14), который в рабочем режиме формирует напряжение +5 В с максимальным током нагрузки в 10 мА. Назначение этого источника — питание внешних по отношению к микросхеме цепей.

На выходе компаратора «паузы» формируется импульс положительной полярности, если времязадающий конденсатор Ст разряжен. Импульс поступает на синхронизирующий вход D-триггера и на входы элементов ИЛИ-НЕ выходного драйвера, закрывая выходные транзисторы Q1. Q2. В двухтактном режиме, когда вход управления выходными каскадами (вывод 13) соединен с источником опорного напряжения (вывод 14), транзисторы выходного каскада управляются противофазно. В этом случае частота переключения каждого транзистора равна половине частоты генератора, а ток, протекающий через каждый выходной транзистор, не превышает величины 200 мА.

Защита транзисторов полумостового преобразователя в микросхеме реализована на компараторах низкого напряжения: по питающему и эталонному. Опорные напряжения для компараторов подводятся к не инвертирующим входам, информационные — к инвертирующим. Уменьшение значения какого-либо из контролируемых напряжений ниже установленных пределов устанавливает соответствующий компаратор в единичное состояние, при этом импульсная последовательность на выходе ШИМ — компаратора прекращается.

Рисунок 2.7 — Типовая схема включения микросхемы TL494

Типовая схема включения микросхемы TL494 в источнике питания с полумостовым преобразователем представлена на рисунке 2.7, временные диаграммы — рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 — Временные диаграммы работы микросхемы TL494

На схеме конденсатор С4 и резистор R6 — элементы времязадающей цепи генератора, частота переключения составляет примерно 73 кГц, резисторы R3, R4, конденсатор С2 и конденсатор С1 образуют цепи коррекции усилителей ошибки 1 и 2 соответственно.

Для реализации двухтактного режима работы преобразователя вход управления выходными каскадами (вывод 13) соединен с источником эталонного напряжения (вывод 14). С выводов 8 и 9 микросхемы управляющие импульсы поступают в базовые цепи транзисторов преобразователей.

Напряжение питания +25 В подается на вывод питания микросхемы (вывод 12) и на среднюю точку первичной обмотки трансформатора Т1 для питания транзисторов преобразователя. Опорное напряжение для усилителей ошибок формируется также от источника эталонного напряжения, для чего инвертирующие входы усилителей через резисторы Rl, R2 соединены с выводом 14 микросхемы.

На не инвертирующий вход усилителя ошибки 1 (вывод 1) информация о выходном напряжении источника поступает с делителя Rll, R12. С резистора R9 на инвертирующий вход усилителя ошибки 2 поступает информация о токе в нагрузке.

Режим «медленного пуска» образован последовательным соединением элементов С2 и R5, причем положительная обкладка конденсатора С2 подключена к выходу источника эталонного напряжения (вывод 14). Эпюры напряжения на временных диаграммах рисунок 2.8 показывают: а) … форму пилообразного напряжения на выводе 5 микросхемы; б), в) … выходные импульсы микросхемы; д) … напряжение в средней точке первичной обмотки согласующего трансформатора.

Варианты исполнения ШИМ-формирователя представлены на рисунках 2.9…2.10. Основные отличия между схемами заключаются в организации цепей смещения усилителей ошибки и включением схемы медленного пуска.

Схема одного из вариантов ШИМ-формирователя источника питания AT [1], представленного на рисунке 2.9, имеет типовое включение. Конденсатор С24, резистор R37 образуют времязадаюшую цепь микросхемы, коррекция усилителя ошибки I осуществляется элементами С23 и R36. Делитель R25, R28, R33, R40, R41 формирует опорное напряжение на выводе 2. Информация о выходном напряжении с резисторов R27, R42, R43 поступает на неинвертируюший вход усилителя 1 (вывод 1). С помощью резисторного делителя R25, R26, R29 формируется опорное напряжение на усилителе 2 (вывод 15). Информация о токе в транзисторах преобразователя поступает в среднюю точку резисторов R26, R29.

Рисунок 2.9 — ШИМ — Преобразователь AT

Принципиальная схема ШИМ — формирователя источника питания конструктива АТХ показана на рисунке 2.10. В этой схеме информация о выходном напряжении поступает с делителя R50, VRl, R49, подключенному к источнику канала +12 В. Наличие регулировочного резистора VR1 позволяет вручную устанавливать номинальное значение выходного напряжения источника питания. Остальные элементы схемы представляют типовое включение микросхемы.

Рисунок 2.10 — ШИМ — Преобразователь ATХ

В момент включения источника питания конденсаторы фильтров разряжены, сигналы обратных связей отсутствуют. Действие обратной связи приводит к тому, что мощность на коллекторных переходах может превысить допустимую. Поэтому для обеспечения постепенного «вхождения» преобразователя в режим нормальной стабилизации, необходимо ограничивать ток транзисторов в момент пуска. Для этого реализован режим «медленного пуска».

Режим реализован последовательным соединением резистора и конденсатора рисунок 2.11. Один из элементов цепи, как правило конденсатор, подключен к источнику эталонного напряжения микросхемы (вывод 14), средняя точка цепи подключена ко входу «пауза». После включения в сеть и запуска преобразователя формируется напряжение питания микросхемы, как правило, +25 В. Из этого напряжения микросхемой формируется эталонное напряжение +5 В, являющееся источником для цепи «медленного запуска». В этот момент (включения) по цепи протекает зарядный ток, ко входу управления «паузой» прикладывается максимальное падение напряжения на резисторе R, что соответствует появлению на выходах микросхемы (выводы 8, II) импульсов малой длительности. По мере заряда конденсатора С напряжение на выводе 4 уменьшается, длительность управляющих импульсов увеличивается, растет напряжение на выходе источника и соответственно происходит заряд конденсаторов фильтров. С ростом напряжения на выходе увеличивается напряжение обратной связи и ШИМ — формирователь переходит в режим стабилизации. Это иллюстрируют временные диаграммы на рисунке 2.12.

Рисунок 2.11 — Схема «медленного пуска» микросхемы

Рисунок 2.12 — Временные диаграммы «медленного пуска»

2.1.2.5 Вспомогательный преобразователь

Вспомогательный преобразователь является конструктивной особенностью источников питания формата АТХ. Данный преобразователь формирует напряжение +5 BJSB в выключенном состоянии системного модуля. Устройство представляет собой блокинг — генератор, функционирующий в автоколебательном режиме в течение всего времени замкнутого состояния сетевого выключателя блока питания.

Упрощенная схема автоколебательного блокинг — генератора для обратноходового преобразователя приведена на рисунке 2.13. Основными элементами блокинг — генератора являются транзистор VT и трансформатор Т1. Цепь положительной обратной связи образована вторичной обмоткой трансформатора, конденсатором С и резистором R, ограничивающим ток базы. Резистор Re создает контур разряда конденсатора на этапе закрытого состояния транзистора. Диод D исключает прохождение в нагрузку R, импульса напряжения отрицательной полярности, возникающего при запирании транзистора. Ветвь, состоящая из диода D1, резистора R1 и конденсатора С1, выполняет функцию защиты транзистора от перенапряжения в коллекторной цепи. Работа схемы автоколебательного блокинг — генератора поясняется временными диаграммами рисунок 2.14а…д. При включении питания конденсатор С разряжен (U_c=0, момент t рисунок 2.14а), через транзистор протекает небольшой ток базы, приводящий к заряду конденсатора С. Наличие положительной обратной связи, обеспечивающейся соответствующим включением базовой обмотки трансформатора Т1, приводит к лавинообразному процессу увеличения базового и коллекторного токов транзистора VT. Процесс продолжается так до тех пор, пока транзистор не перейдет в процесс насыщения (момент t₂, рисунок 2.14а).

В режиме насыщения происходит уменьшение базового тока i_G и рост тока намагничивания i_M (рисунок 2.14г), вызванного намагничиванием сердечника трансформатора Т1. В некоторый момент времени tj (рисунок 2.14г) базовый ток уменьшается настолько, что транзистор выходит из режима насыщения и его коллекторный ток i_K уменьшается. Действие обратной связи приводит к запиранию транзистора. В этот период происходит разряд конденсатора и рассеивание энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора. В закрытом состоянии транзистора коллекторная обмотка импульсного трансформатора отключена от источника питания, а его нагрузочная обмотка отключена от сопротивления R_H диодом VD. Диод VD1 относительно напряжения коллекторной обмотки транзистора VT включен в прямом направлении. При этом считается, что ток намагничивания переводится из цепи коллектора в демпфирующую цепь VD1, R1, C1, где и происходит рассеивание энергии накопленной трансформатором. В тот момент, когда при разряде конденсатора напряжение U₃ станет равным нулю, транзистор открывается и начинается формирование следующего импульса.

Рисунок 2.13 — Схема автоколебательного блокинг — генератора Рисунок 2.14 — Временные диаграммы работы автоколебательного блокинг — генератора Схема типового преобразователя автогенераторного типа показана на рисунке 2.15. Во всех схемах преобразователей ключевой транзистор работает в режиме с большими коммутационными перегрузками по току коллектора, поэтому в автогенераторе использован мощный транзистор. Для увеличения длительности «паузы» ключевого транзистора в автоколебательном режиме использован дополнительный источник отрицательного смешения. Ограничение выбросов управляющего сигнала осуществляется стабилитроном VD2, включенным в цепь базы ключевого транзистора VT3. В цепи демпфирования допустимо использование RC-цепи, включенной в коллекторную цепь транзистора, в некоторых случаях демпфирующая RC-цепь устанавливается и в цепи базы ключа.

Рисунок 2.15 — Вспомогательный преобразователь блока питания DTK

2.1.2.6 Каскад управления

Управление транзисторами полумостового преобразователя осуществляется каскадом на транзисторах VTl, VT2 (рисунок 2.16). Кроме этой функции схема управления осуществляет согласование и гальваническую развязку мощных силовых каскадов от маломощных цепей управления. Транзисторы VTl, VT2 схемы работают в ключевом режиме с соединенными эмиттерами поочередно. Коллекторными нагрузками являются полу обмотки трансформатора Т1 (вывод 1−2, 2−3), в среднюю точку которого (вывод 2) подается питание на схему через элементы R4, VD5. Диод VD5 предотвращает влияние сигналов в первичных обмотках трансформаторов на работу ШИМ — формирователя по шине питания. Резисторы Rl, R2 и R3 формируют смещение в цепи базы транзисторов VT2 и VT1 соответственно. Импульсы управления с микросхемы ШИМ-формирователя поступают на базы транзисторов схемы. Под воздействием управляющих импульсов один из транзисторов, например VT1 открывается, а второй VT2, соответственно, закрывается. Надежное запирание транзистора осуществляется цепочкой VDl, VD2, С1. Так, при протекании тока в открытом транзисторе VT1 по цепи: +25 В, R4, D5,Т1(выв. 2−1), VT1 (к-э), VD2, VD1, корпус в эмиттере транзистора VTl формируется падение напряжения +1,6 В. Оно достаточно для запирания транзистора VT2. Наличие конденсатора С1 способствует поддержанию запирающего потенциала во время «паузы». Диоды VD3, VD4 предназначены для рассеивания магнитной энергии накопленной полуобмотками трансформатора. Наличие транзисторов в выходном каскаде микросхемы позволяет выполнить эту схему без использования дополнительного транзисторного каскада.

Рисунок 2.16 — Транзисторный каскад управления

2.1.2.7 Цепи защиты и контроля

Защита источников питания проявляется в критических режимах работы, а также в тех случаях, когда действие обратной связи может привести к предельным режимам работы элементов схемы, предупреждая тем самым выход из строя силовых и дорогостоящих элементов схемы. К ним относятся транзисторы полумостового преобразователя и выходные выпрямители.

В результате действия цепей защиты снимаются выходные управляющие сигналы с ШИМ — контроллера, транзисторы преобразователя находятся в выключенном состоянии, выходное вторичное напряжение отсутствует. Исключая внутренние цепи защиты ШИМ — контроллера рассмотрим действие внешних элементов схем зашиты, встречающихся в типовых схемах преобразователей.

Следует различать такие цепи защиты:

- от короткого замыкания в нагрузке;

- от чрезмерного тока в транзисторах полумостового преобразователя;

- защиту от превышения напряжения.

Первые два типа защиты близки по действию и связаны с необходимостью отдачи преобразователем большой мощности в нагрузку. Действуют они при перегрузках источника питания или же неисправностях в преобразователе. Защита от превышения напряжения может возникать при перепадах питающего напряжения и в некоторых других случаях.

Выключение преобразователя в источниках питания осуществляется с помощью дополнительного усилителя ошибки, обычно это усилитель ошибки 1, включенный компаратором либо по каналу управления паузой. Ниже приводятся описание схем зашиты рассматриваемых источников питания.

Интересный вариант схемы защиты от короткого замыкания в нагрузке, встречающийся в схемах источников питания AT, представлен на рисунке 2.17. В этой схеме защита от коротких замыканий реализована с помощью транзисторных каскадов VT5, VT6. Датчиком короткого замыкания в выходных каналах отрицательной полярности —12 В, —5 В служит уже известная диодно-резистивная цепь VD26, R24, а в выходном канале +12 В имеются диод VD27, транзистор VT6 и резистор R32. При отсутствии короткого замыкания на коллекторе VT6 низкий уровень напряжения, поступающий через развязывающий диод VD21 на вход управления паузой (вывод 4 D1).

Наличие цепи С21, R34, R35 на входе транзистора VT5 позволяет управлять длительностью выходных импульсов в переходных процессах и исключить влияние цепи защиты на период запуска преобразователя. Диод VD20 замыкает цепь разряда конденсатора С21, что необходимо при повторных запусках источника питания. Цепь защиты от чрезмерного тока через преобразователь имеет типовую схему и выполнена на элементах Т2, R4, VD5, VD6, R5, R29, С20. Сигнал отключения через R26 поступает на вывод 15 усилителя ошибки 2, который включен компаратором.

Рисунок 2.17 — Схема защиты источника питания AT

Аналогичный подход применен и в схеме источника питания DTK (ATX) (рис. 2.18). В этой схеме компаратор защиты от чрезмерных токов преобразователя в источнике питания не использован. Роль трансформатора тока, выполняет согласующий трансформатор Т2. Вторичная обмотка трансформатора нагружена однополупериодным выпрямителем D18, С19, а с делителя R20, R2I сигнал тока поступает на базу VT6.

Превысив определенный уровень, сигнал, пропорциональный току преобразователя, открывает транзистор VT6, что в свою очередь приводит к отпиранию транзистора VT1. На вход управления паузой через VT1 и VD10 станет поступать потенциал источника эталонного напряжения (вывод 4 IC1). Это же напряжение через открытый транзистор VT1, диод VD3, резистор R11 поступает в базу транзистора VT4, который, открываясь, блокирует работу преобразователя.

Каскад зашиты, состоящий из диодно-резистивной цепи Dl, R2 и сумматора R8, R9, реализует защиту преобразователя от короткого замыкания в каналах +5 В, 12 В, —5 В. Уменьшение напряжений в любом из перечисленных каналов вызовет открывание транзистора VT4, который в свою очередь откроет VT1. При этом управляющие импульсы на выходе ШИМ-контроллера отсутствуют.

Зашита от превышения напряжения выполнена на стабилитронах VD1, VD3, резистор R3 для них балластный. Увеличение напряжения повлечет открытие транзистора VT4. — 12 В, — 5 В. Уменьшение напряжений в любом из перечисленных каналов вызовет открывание транзистора VT4, который в свою очередь откроет VT1. При этом управляющие импульсы на выходе ШИМ-контроллера отсутствуют.

Зашита от превышения напряжения выполнена на стабилитронах VD1, VD3, резистор R3 для них балластный. Увеличение напряжения повлечет открытие транзистора VT4.

Рисунок 2.17 — Схема защиты источника питания DTK (ATX)

2.1.2.8 Выходной выпрямитель

Выходные выпрямители источника питания различают по значению напряжения выходного канала. Они выполнены по двухтактной схеме и, как уже отмечалось, имеются на U_Bbl>;= +12 В, +5 В, — 12 В и —5 В. Вследствие высокой частоты работы преобразователя объясняется использование специальных элементов, допускающих работу при повышенных частотах и температурах. Так, в качестве выпрямительных используются диоды Шоттки, обладающие малым падением напряжения в прямом направлении (0,2…0,3 В для кремниевых диодов), и конденсаторы с малыми потерями, допускающими работу при высоких температурах.

Схема представлена на рисунке 2.19. Выпрямитель каждого канала выполнен по двухполупериодной схеме выпрямления, обладающей меньшим коэффициентом пульсаций по сравнению с однополупериодной. Фильтрацию выходного напряжения выходных напряжений осуществляют индуктивными (LI, L3, L4) и емкостными фильтрами (С19, С20, С21, С22 и С25). Включение последовательных RC-цепочек R9, С10 и R10, СП параллельно обмоткам трансформаторов позволяет уменьшить интенсивность помех создаваемых источником. Возможность значительного повышения напряжения на выходе выпрямителя при отключенной нагрузке устраняется резисторами R31, R32, R33, R34.

Формирование отрицательных напряжений источника питания может осуществляться не только с помощью выпрямителей, но и с применением интегральных стабилизаторов. Так, например, в канале —5 В источника питания E200S-U используется интегральный стабилизатор типа МС7905 (рисунок 2.20).

Рисунок 2.19 Высокочастотный выпрямитель источника питания PM-230W

Рисунок 2.20 Формирователь отрицательного напряжения -5 В на интегральном стабилизаторе МС7905

2.2 Стабилизаторы напряжения (National Semiconductor)

Общее описание. Интегральные схемы LM 317, LM3H представляют собой регулируемые 3-выводные стабилизаторы положительного напряжения, обеспечивающие выходной ток 1,5 А в диапазоне выходного напряжения от 1,2 до 37 В. Они очень удобны в обращении и требуют только два внешних резистора для установки выходного напряжения Стабилизация по сети (по входу) и по выходу выше, чем при использовании стандартных фиксированных (заземленным стабилизаторов). Кроме того LM317 размешен в стандартных транзисторных корпусах, которые удобно устанавливать на печатные платы. Помимо того что схемы серии LM317 обладают лучшими характеристиками, чем фиксированные стабилизаторы, они обеспечивают полную защиту от перегрузки, что возможно только в ИМС. Типовая схема включения микросхемы приведена на рисунке 2.21.

Свойства:

— Регулируемый выход вплоть до 1,2 В

— Гарантированный выходной ток 1,5 А

— Типовая стабилизация по входу 0,01%, В

— Типовая стабилизация по нагрузке 0.1%

— 100%-ная повторяемость по электрическим характеристикам

— Нет необходимости иметь запасы источников на различные напряжения

— Используем" стандартный 3-выводноЙ Транзисторный корпус

— Ослабление пульсаций на 80 дБ Рисунок 2.21 — Типовая схемы включения Помимо того что LM317 заменяет фиксированные стабилизаторы, эта интегральная схема находит широкое применение и в других приложениях. В связи с тем что стабилизатор являемся «плавающим» и для него имеет значение только разность (перепал) напряжения между входом и выходом, можно строить источники па напряжения до нескольких сотен вольт.

Рисунок 2.22 — Стабилизатор с програмируемым входом На основе схемы рисунок 2.22 достаточно просто построить импульсный стабилизатор, стабилизатор с программируемым выходом, а при включении между выходом и выводом регулировки фиксированного резистора LM317 можно использовать в качестве прецизионною стабилизатора тока.

Рисунок 2.23 — Принципиальная схема интегрального стабилизатора Добавив компаратор одним входом, включенным к нагрузке, а другим к делителю напряжения можно получить ограничение тока нагрузки, как это показано на рисунке 2.24.

Рисунок 2.24 — Стабилизатор напряжения с ограничением тока

3. РАЗРАБОТКА СХЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

3.1 Разработка схемы электрической структурной

Так как в качестве опорного напряжения используем импульсный источник питания системных блоков, то необходимо разработать схему регулировки управления и контроля. Так как источник питания должен обладать двумя полярностями, то и схем регулировки напряжения и тока должно быть две.

Устройство должно содержать блок регулировки напряжения в интервале от 1.5…9.0 В. Также устройство ограничения тока до 8.0 А. А так же обязательны блоки управления и измерения. Обобщенная структурная схема источника питания приведена на 160 500 ДФ 201 500 Д70 Э1.

3.2 Разработка схемы электрической функциональной

Регулировку напряжения можно выполнить на основе трехвыводного интегрального стабилизатора напряжения в типовом включении. Это обеспечит регулировку в требуемом диапазоне напряжений при помощи переменного резистора и даст дополнительную стабилизацию напряжения. Так как дополнительно управление напряжением должно осуществляться при помощи ПК, то для обеспечения перестройки двоичным кодом необходимо использовать транзисторные ключи, подбором сопротивления в коллекторной цепи можно добиться перестройки напряжения на выходе с шагом 0.5 В.

Так как ток микросхемы стабилизатора напряжения невелик, то для того, чтобы обеспечить максимальный ток нагрузки 8А, необходим усилитель тока. Для регулировки ограничения тока нагрузки можно использовать компаратор, один вход которого подключить к нагрузке, другой к опорному регулируемому делителю напряжения.

Для измерения напряжения при помощи ПК, необходимо сначала преобразовать его в двоичный код. Это можно сделать при помощи АЦП. Так как необходимо измерять напряжение обоих полярностей, чтобы не использовать два АЦП, можно измерять их поочередно. Для этого необходим коммутатор управляемый двоичным кодом, а так же преобразователь напряжений положительной и отрицательной полярности для измерения напряжения по модулю.

В итоге нам необходимо управлять транзисторными ключами обоих полярностей, а это как минимум две четырех разрядные шины. Управлять коммутатором и включением питания устройства. Обрабатывать данные с АЦП и привязать это все к параллельному порту компьютера. Все эти задачи можно решить используя микроконтроллер.

В итоге функциональная схема лабораторного источника питания будет иметь вид 160 500 ДФ 201 500 Д70 Э2.

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

4.1 Выбор и описание схемы импульсного источника напряжения

4.1.1 Так как падение напряжения на регулирующих элементах составит не менее 2 В, то напряжение опорного источника должно быть не менее 12 В, а ток не менее 8А. Данным требованиям удовлетворяет импульсный источник питания системных блоков ПК DTK (АТХ) со следующими параметрами. Схема электрическая принципиальная данного устройства приведена на 160 500 ДФ 201 500 Д70 Э3.

Входное напряжение … 220 В.

Частота … 47…63 Гц.

Размеры … 140×150×86 мм.

Диапазон рабочих температур … + 10…+50°С.

Выходной ток в каналах источника:

+3,3 В … 14 А;

+5 В S_b …0,72 А;

+5 В …21 А;

— 5 В … 0,3 А;

+ 12 В… 8 А;

— 12 В… О, ЗА

4.1.2 Описание схемы принципиальной источника питания DTK(АТХ)

4.1.2.1 Входные цепи

Для защиты входных цепей источника питания на печатной плате установлен предохранитель FА1. Заградительный фильтр импульсных помех образован конденсаторами С2, С8,С11,С12, дросселями Ll… L3. Фильтр обеспечивает защиту источника питания, как от синфазной, так и дифференциальной составляющей импульсных помех.

Напряжение первичной электрической сети поступает далее на выпрямитель VD14… VD17, выполненный по мостовой схеме. Полупериоды выпрямленного напряжения сглаживаются конденсаторами С16, С17. Резисторы R30, R31, подключенные к С16, С17 параллельно, симметрируют напряжение на конденсаторах, а также создают цепь их разряда

4.1.2.2 Источник питания режима «готовность» (Stand_by)

Источник питания режима «готовность» предназначен для создания начального напряжения питания при запуске ШИМ-контроллера и выдачи напряжения питания на системную плату, когда компьютер находится в «спящем* режиме. Этот источник состоит из однотактного преобразователя, подключенного к выпрямителю первичной сети, и стабилизатора вторичного напряжения.

Однотактный преобразователь автогенераторного типа выполнен на транзисторе VT1. Постоянное напряжение с положительного вывода выпрямителя через рабочую обмотку трансформатора ТA1 подводится к коллектору транзистора VT1. Это же напряжение через резисторы R11, R7 прикладывается к базе этого транзистора, создавая небольшое положительное смещение. Транзистор VT1 находится в открытом состоянии, и через него начинает протекать ток. В трансформаторе происходит процесс накопления энергии, в результате которого в обмотках ТA1 наводятся ЭДС. Обмотка положительной обратной связи является источником заряда конденсатора С5. Ток заряда этого конденсатора запирает транзистор VT1. Во время запертого состояния VT1 трансформатор Т1 отдает энергию во вторичную цепь.

Зашита транзистора VT1 от коммутационных импульсов, обусловленных индуктивностью рассеивания обмоток трансформатора Т1, и от превышения мгновенной мощности на коллекторе VT1, реализована цепью демпфирования, состоящей из элементов VD7, R4 C1. Демпфирование выбросов в цепи базы осуществляется элементами VD10, C6, R8.

Вторичную цепь трансформатора Т1 образуют выпрямительные диоды VD11, VD12, фильтровые конденсаторы С9, С19, С28 и интегральный стабилизатор +5 В DD1.

4.1.2.3 Преобразователь

Активными элементами преобразователя полумостового типа являются транзисторы VT9, VT10. Второе плечо моста образуют выпрямительные конденсаторы С16, С17. Защита преобразователя от «сквозных токов» создается диодами VD26, VD27, а также наличием «мертвой зоны» между управляющими импульсами микросхемы DD2, В диагональ моста включена рабочая обмотка трансформатора Т3 через разделительный конденсатор С21, устраняющий нежелательное несимметричное подмагничивание рабочей обмотки трансформатора. Резистор R51 и конденсатор С30 шунтируют рабочую обмотку ТЗ для демпфирования паразитных колебаний. Режим работы транзисторов преобразователя задается резисторами R42… R45. Элементы С24, С25, VD21, VD22, R39, R40 предназначены для ускорения переходных процессов при переключениях транзисторов.

4.1.2.4 ШИМ — контроллер и каскад управления

Напряжение питания на микросхему DD2 (выв. 12) поступает от выпрямителя VD12 вспомогательного генератора и выпрямителя VD28, С28. После подачи питания на выводе 14 появляется напряжение внутреннего источника опорного напряжения микросхемы равное +5 В, запускается задающий генератор и на выводе 5 присутствует пилообразное напряжение. Конденсатор С20 и резистор R33 элементы времязадающей цепи генератора. На выводах 8, 11 микросхемы DD2 появляются импульсные последовательности поступающие на транзисторы VT7, VT8 каскада управления,