Принципиальная схема ШИМ на транзисторах
Стабилизация выходного напряжения от различных дестабилизирующих факторов (например, от изменения тока нагрузки, а также от изменения питающего напряжения) осуществляется за счет изменения длительности управляющих импульсов, т. е. путем управления наклоном линейно нарастающего напряжения на конденсаторе СЗ. Напряжение ОС подается на усилитель сигнала ошибки, собранный на транзисторе VT6. Коллектор транзистора VT6 через резистор R4 соединен с эмиттером стабилизатора тока VT1. При изменении проводимости VT6 меняется потенциал эмиттера VT1, а следовательно (при постоянном потенциале базы), его коллекторный ток. Поэтому изменяется наклон линейно нарастающего напряжения на СЗ и тем самым длительность выходного импульса.
Таким образом, например, при увеличении напряжения питания сети увеличивается выходное напряжение ИИЭ, транзистор VT6 открывается, потенциал на эмиттере VT1 уменьшается, VT1 начинает запираться и ток, заряжающий конденсатор СЗ, уменьшается. При этом уменьшается крутизна наклона линейно нарастающего напряжения и длительность выходного импульса. Это приводит к уменьшению времени открытого состояния ключа выходного каскада ИИЭ. В результате выходное напряжение уменьшается до исходного значения. Уровень выходного напряжения ИИЭ устанавливается резистором R14.
При включении аппаратуры в выпрямителях, выходных каскадах ИИЭ, в фильтрующих конденсаторах возникают пусковые токи, достигающие значительной величины. Например, в телевизионных приемниках, если не принято специальных мер, пусковые токи в сетевых выпрямителях могут достигать значений 50 — 100 А. Поэтому в ИИЭ для устранения аварийных режимов необходимо осуществлять плавный, замедленный пуск, заключающийся в постепенном выходе на номинальный режим.
В рассматриваемой схеме плавный пуск осуществляется достаточно простым способом. При подаче питания на схему конденсатор С6 разряжен, резисторы R3, R2 образуют делитель, запирающий транзистор VTL По мере заряда конденсатора С6 через резистор R15 происходит постепенный (плавный) выход VT1на номинальный режим стабилизатора тока, и тем самым длительность выходного импульса плавно увеличивается от нуля до номинальной.
Время плавного пуска определяется постоянной времени цепи R15, Сб. Диод VD5, включенный параллельно резистору R15, служит для разряда конденсатора С6 при выключении.
Надежность работы ИИЭ значительно повышается путем использования электронной защиты, заключающейся в запирании выходных каскадов при аварийных режимах (например, при коротком замыкании в нагрузке). Быстродействующая электронная защита предотвращает выход из строя выходных транзисторов и выпрямителей.
В описываемой схеме защита осуществляется следующим образом. На вход схемы через резистор R21 поступает информация о потребляемом токе, например, с резистора сопротивлением 1,5 — 3 Ом, включенного последовательно с фильтрующим конденсатором сетевого выпрямителя. При аварийном режиме отрицательный потенциал на входе схемы защиты запирает транзистор VT8, транзистор VT7 отпирается, конденсатор С6 быстро разряжается через VT7. Отрицательное напряжение на резисторе R7 поддерживает VT8 в закрытом состоянии до полного разряда конденсатора Сб. Разряд конденсатора С6 приводит к запиранию VT1 и, следовательно, к уменьшению длительности выходного импульса до нуля. Выходной каскад ИИЭ при этом запирается. Затем происходит повторное включение блока питания, с плавным пуском. При сохранении аварийного режима происходит очередное срабатывание схемы защиты и блок питания выключается.
ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА B260D
Эта полупроводниковая интегральная микросхема (ИМС), производства ГДР [13], выпускаемая за рубежом также под названиями ТДА 1060 и NE/SE 5560, выполняет многие функции управления ИИЭ. В нее входят (рис. 21): встроенный стабилизированный источник питания (U2 = 8,7 В; 5 мА), источник термо-компенсированных опорных напряжений 3,8; 0,48 и 0,66В; автоколебательный генератор линейно нарастающего напряжения, который может синхронизироваться внешним сигналом; усилитель рассогласования с регулируемым усилением; ШИМ, относительная длительность импульсов которого b — tиlT может изменяться в пределах от нуля до 95%; схема защиты от токовой перегрузки; схема дистанционного включения — выключения; выходной каскад, в котором предусмотрены выходы как отрицательного, так и положительного импульсов, с током нагрузки до 40 мА.
Рис. 21. Интегральная микросхема B260D
Проводимое ниже подробное описание работы ИМС позволяет лучше уяснить особенности функционирования ИИЭ различных типов, в том числе разнообразные способы защиты их от аварийных режимов.
Встроенный источник питания вырабатывает из напряжения питания Ui = -f-12 В стабилизированное напряжение U2=8,7 В, которое используется для точной установки б. Кроме того, в нем вырабатывается сигнал, обеспечивающий запрет выходных импульсов, если питание ИМС упало ниже 10,2 В. После восстановления напряжения питания 6 достаточно медленно возрастает от нуля до значения, соответствующего режиму стабилизации (замедленный старт).
Интегральная микросхема содержит также термокомпенсиро-ванный источник опорных напряжений 5,8; 0,48 и 0,6 В. Эти напряжения подаются на входы различных компараторов.
Генератор линейно нарастающего напряжения состоит из транзисторов VT7 — VT9, компараторов U6, U7, RS-триггера DS3 и внешнего конденсатора С7. Транзисторы VT7, VT8 образуют генератор тока, заряжающего конденсатор С7, который вместе о резистором R7 задает частоту F генератора. При R7=39 кОм, С7-4700 пФ F=8 кГц, а при R7=5,1 кОм и С7-2000 пФ F= «80 кГц. При достижении линейно нарастающим напряжением (рис. 22,а) на конденсаторе С7 порога включения компаратора U6 (приблизительно 5,6 В) происходит установка RS-триггера DS3 (он устанавливается в «1» при положительных потенциалах на его S-входах). В этот момент формируется фронт выходного импульса на выводе 15 ИМС (рис. 22,6). Единичный сигнал на выходе DS3 включает транзистор VT9, через который конденсатор С7 быстро разряжается. В момент, когда напряжение на С7 достигает 1,1 В (порог срабатывания компаратора £77), происходит сброс DS3 в исходное состояние и выключение транзистора VT9. После этого заряд С7 начинается вновь. Транзистор VT10, который включается и выключается одновременно с VT9, управляет моментом установки в «1» RS-триггера DS2. Этот триггер управляется отрицательными потенциалами на R5-входах и формирует длительность выходного импульса, который усиливается по мощности транзисторами VT19 — VT21 и в отрицательной полярности поступает на вывод 15 ИМС.
Рис. 22. Временные диаграммы работы микросхемы B260D (напряжения на выводах 8, 9 и 15 относительно общего вывода 12)
Рис. 23. Зависимость относительной длительности импульса 6 =tи/T от напряжений на выводах 4 — 6 (кривая 1), отношения RiKRi + Rz) (кривая 2) и отношения Uie/U2 (кривая 3)
Генератор можно синхронизировать на частоте, ниже его собственной (рис. 22,а — в). Для этого используются инвертор DD1 и транзистор VT18. Если генератор работает на собственной частоте, то вывод 9 не подключается к схеме или на него подается напряжение 2,5 В, на выходе инвертора напряжение равно нулю и транзистор VT18 заперт. В режиме внешней синхронизации вывод 9 через резистор сопротивлением 1 — 3 кОм заземляется. Тогда на выходе инвертора появляется положительное напряжение, открывающее VT18. Это запрещает установку DS3 при срабатывании компаратора U6. При подаче на вход 9 положительного синхроимпульса VT18 запирается и это создает условия переключения DS3.
Усилителем рассогласования является операционный усилитель DA1, на инвертирующий вход которого (вывод 3 ИМС) подается сигнал ОС Uo.c. Подбором резистора R4 устанавливается коэффициент усиления DA1, который при R4->oo равен 60 дБ. Выводы 3 — 4 могут быть использованы также для подключения фазосдвигающихся RС-цепочек, улучшающих стабильность работы преобразователя, охваченного ОС. Компаратор UI служит для ограничения величины 6 при уменьшении U0.с ниже 0,6 В. Эта особенность интегральной микросхемы имеет важное значение, так как при регулировке ИИЭ возможны обрывы и закорачивание цепи ОС.
Широтно-импульсный модулятор состоит из транзисторов VT2 — VT6, образующих компаратор с тремя инвертирующими входами (базы транзисторов VT3 — VT5). Компаратор срабатывает тогда, когда линейно нарастающее напряжение на эмиттерах VT2 — VT5 превосходит наименьшее из напряжений на базах VT3 — VT5 (соответственно выводы 4, 5 и 6 ИМС). Зависимость 6 от напряжений на этих выводах приведена на рис. 23 (кривая 1).
Срабаты вание компаратора ШИМ вызывает появление положительного потенциала на коллекторе VT6, который через схему 2И — НЕ DD2 трансформируется в отрицательный потенциал на R-входе RS-триггера DS2. При этом его прямой выход (подключенный к базе VT19) переходит в состояние с низким уровнем, а инверсный — с высоким. Транзисторы VT19 и VT21 запираются, a VT20 отпирается. В этом момент формируется спад отрицательного выходного импульса на выводе 15 микросхемы.
Важное значение для безаварийной работы ИИЭ является ограничение величины бтах. Оно особенно необходимо для преобразователей с прямым включением выпрямителей, где при бтах = 0,5 возникает опасность насыщения трансформатора и резкого нарастания коллекторного тока. Для ограничения бтах служит вывод 6 ИМС, подключенный к базе транзистора VT5 компаратора ШИМ. На этот вывод через резистивный делитель Rl, R2 подается стабилизированное напряжение £Л. Сопротивление делителя Rl, R2 выбирается в соответствии с графиками, приведенными на рис. 23.
Интегральная микросхема (см. рис. 21) имеет эффективное устройство защиты от перегрузок выходного транзистора преобразователя по току, выполненное на транзисторах VT11 — VT16, образующих двухпороговый компаратор. Вывод 11 подключается к датчику тока (резистору в цепи коллекторного тока для одно-тактных схем или к трансформатору тока). Компаратор работает в двух режимах ограничения тока. Первый режим возникает тогда, когда нагрузка ИИЭ возросла, но не вызвала условий, близких к короткому замыканию. В этом случае срабатывает компаратор с низким порогом 0,48 В (транзисторы VT14 — VT16]. Низкий потенциал на коллекторе VT16 трансформируется на выходе схемы 2И — НЕ в высокий потенциал, подаваемый на схему ЗИ — НЕ DD3. Остальные входы DD3 в этом режиме также находятся под высоким потенциалом. Схема DD3 срабатывает и выключает выходной транзистор VT21. Таким образом 6 сокращается до 10 — 15%, причем работа ИИЭ не нарушается, так как срабатывание компаратора происходит с частотой F работы преобразователя.
При 6<10 — 15% эффективность такой периодической с частотой F защиты резко падает, так как выходные транзисторы имеют значительное время рассасывания (5 — 10 мкс), которым трудно управлять. Поэтому при больших токах нагрузки (трансформирующихся в соответствующий ток коллектора) вступает в действие другая система токовой защиты. Срабатывание компаратора VT11-VT13 трансформируется через схему 2И — НЕ DD4 в положительный потенциал на 5-входе R5-триггера DSL Поскольку DS1 устанавливается сигналами высокого уровня (так же, как и DS3), на его прямом выходе появляется положительное напряжение. Это напряжение открывает транзистор VT17, следствием чего является быстрый разряд конденсатора С6, снижение до нуля напряжения на выводе 6 и запирание транзистора VT21. Выходные отрицательные импульсы на выводе 15 пропадают. Повторное включение схемы происходит не сразу, а после заряда С6 до некоторого порогового значения (приблизительно 1В). После появления коротких отрицательных импульсов на выводе 15 их длительность медленно увеличивается («замедленный старт»). Если аварийный режим не прекратился, возникает повторное срабатывание компаратора VT15 — VT16 (периодически с низкой частотой, определяемой постоянной времени заряда 06}.
Вывод 10 ИМС служит для дистанционного включения и выключения ИИЭ. Когда на вход 10 подано положительное напряжение свыше 2,2 В или ИИЭ не подключен, на 5-входе DS1 действует низкий уровень, не влияющий на состояние DS1 (напомним, что DS1 управляется положительными сигналами на RS-вхо-дах). Когда напряжение на выводе 10 становится меньшим 0,8 В, на выходе DD4 возникает высокий потенциальный уровень. При этом DS1 устанавливается в единичное состояние и отпирает транзистор VT17, вследствие чего транзистор VT21 запирается. Для включения ИИЭ надо снова подать на вывод 10 высокий уровень, при этом включение произойдет в режиме «замедленного старта».
К выводу 13 подключен компаратор U5, используемый как дополнительное средство защиты от перегрузок.Порог его срабатывания составляет 0,6 В. Вход 13 может быть использован для защиты от перегрузок по напряжению. Его можно эффективно использовать для защиты однотактных преобразователей с прямым включением выпрямителей от насыщения силового трансформатора.
Наконец, вывод 16 ИМС предназначен для модуляции наклона линейно нарастающего напряжения на конденсаторе С8 (см. рис. 22, г,д). Это возможно при U16>U2. Длительность импульса в зависимости от отношения U16/U2 изменяется по гиперболическому закону (рис. 23). Такой вид модуляции бывает необходим, когда ИМС используется в качестве модулятора последовательного импульсного стабилизатора напряжения.
