3. Разработка систем управления

Система управления импульсным преобразователем постоянного тока включает в себя элементы, необходимые для регулирования коэффициента заполнения импульсов силового ключа: где t_и – длительность открытого состояния ключа; T – период следования импульсов. Схема управления имеет вид, представленный на рис.5.

Здесь ГПН – генератор пилообразного напряжения, формирующий последовательность пилообразных импульсов постоянной частоты и амплитуды .

Эти импульсы сравниваются в компараторе (К) с напряжением (U_у), в результате чего формируются прямоугольные импульсы с длительностью (t_и), которая может регулироваться уровнем напряжения управления (U).

В случае необходимости стабилизации выходного напряжения преобразователя, рассмотренная система управления может быть выполнена с контуром обратной связи (рис.7), где ДН – датчик напряжения; U_ус – напряжение уставки.

Если силовой ключ транзисторный, то для его управления можно использовать усиленный формирователем импульсов управления (ФИУ) сигнал с компаратора.

Если же силовой ключ тиристорный, то необходимо иметь не один, а два формирователя узких импульсов управления: один должен быть синхронизированным с передним фронтом импульса с компаратора (К) и управлять силовым тиристором ключа, а другой – с задним фронтом, и он должен управлять коммутирующим тиристором ключа.

4. Разработка систем зашиты

Особое место при проектировании полупроводникового устройства следует уделять вопросу его надежности. Надежность любого технического устройства характеризуется вероятностью безотказной работы его в течение определенного отрезка времени в заданных условиях эксплуатации. Безотказной работой считается нормальное выполнение техническим устройством всех своих функций в пределах заданных допусков. Отклонение же параметров устройства от допустимых пределов принято называть отказом устройства.

Для полупроводниковых стабилизаторов характерными являются два типа отказов, которые в теории надежности принято называть постепенными и внезапными. Такое разделение отказов достаточно условно, но является удобным для практического применения.

Постепенные отказы проявляются в виде температурных, временных и других и других дрейфов стабилизируемого параметра (напряжения или тока), когда величина параметра выходит из допустимых пределов. Они обусловлены, главным образом, температурной чувствительностью и старением полупроводников и других элементов (сопротивлений и т.п.).

Значительное уменьшение вероятностей постепенных отказов достигается путем применения термокопенсации, а также специальных мер для снижения эффекта старения (предварительного отбора и тренировки полупроводников и сопротивлений, введения специальных подстроечных элементов и т.п.). Возможность постепенных отказов особо следует учитывать в прецизионных стабилизаторах, являющихся источниками эталонного или опорного напряжения.

Однако наиболее существенными в полупроводниковых стабилизаторах являются внезапные отказы, характеризуемые полным прекращением стабилизации. При этом величина стабилизируемого параметра практически мгновенно выходит из заданных пределов, либо падая до нуля, либо возрастая до максимума.

Внезапные отказы в большинстве случаев обусловлены повреждениями полупроводниковых приборов вследствие их теплового пробоя. Тепловой пробой характеризуется необратимыми изменениями p-n-перехода вследствие возрастании его температуры сверх допустимой. Он наступает из-за потери переходом тепловой устойчивости, когда на переходе выделяется больше тепла, чем отводится.

В наибольшей степени зависит от температурных условий и электрического режима частота отказов мощных транзисторов. Она экспоненциально возрастает с ростом температуры и напряжения. Поэтому вероятность внезапных отказов наиболее велика в универсальных лабораторных источниках и в стабилизаторах, работающих в широком диапазоне климатических воздействий.

Практические методы уменьшения вероятности внезапных отказов полупроводниковых стабилизаторов заключаются в обеспечении правильных электрических и тепловых режимов полупроводников в любых ожидаемых режимах работы схемы. Это достигается несколькими путями. Один из них – конструктивный, состоящий в улучшении отвода тепла от мощных транзисторов и диодов.

Другой путь обеспечения правильных тепловых режимов – схемный, при котором ограничивается мощность, выделяемая на транзисторах в любых режимах работы стабилизатора. Это достигается, прежде всего, применением специальных схем стабилизаторов с эффектом «самозащиты», а также специальных защитных устройств в обычных стабилизирующих схемах.

Выбор средств защиты, оценка их эффективности и координация действий их элементов определяются свойствами полупроводниковой структуры приборов и режимами их работы в схемах преобразователей. При перегрузке возрастают потери мощности в p-n-переходе, и его температура, вследствие малой теплоемкости, резко увеличивается. В случае повышения некоторого критического значения температуры p-n-перехода полупроводниковый прибор выходит из строя, поэтому температура является основным параметром, характеризующим перегрузочную способность полупроводниковых приборов.

Работоспособность полупроводниковых приборов при аварийных режимах восстанавливается с помощью защитных устройств, которые должны обладать максимальным быстродействием для ограничения амплитуды и длительности аварийного тока; иметь высокую надежность и простоту; быть селективными, то есть обеспечивать отключение только поврежденных элементов; быть простыми в настройке и обслуживании и иметь низкую относительную стоимость по сравнению с затратами на основное оборудование.

В общем случае защита полупроводниковых преобразователей осуществляется при помощи быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей в сочетании с рядом других устройств.

Схемы защиты на предохранителях отличаются максимальной простотой. Их недостатком является необходимость менять предохранитель после каждого короткого замыкания. Кроме того, сам предохранитель как элемент с несколькими прижимными контактами является достаточно ненадежным, особенно при больших механических перегрузках.

Существует также большое количество схем защиты с применением различных реле, имеющих фиксирующее устройство («защелку»), которое после срабатывания оставляет реле включенным. Простейшие схемы защиты то перегрузки по току и от короткого замыкания на реле приведены на рисунке 8.

Рисунок 8. Схемы защиты от перегрузки по току и от

короткого замыкания на реле.

а - схема с использованием реле напряжения,

б - реле тока.

Недостатком схемы а является необходимость наличия кнопки для временного замыкания контактов реле при включении стабилизатора. Кроме того эта схема не защищает от перегрузки по току, и обмотка реле постоянно находится во включенном состоянии. Обе схемы являются очень чувствительными к механическим перегрузкам. Но по сравнению со схемами на предохранителях могут быстро восстанавливать работоспособность после устранения перегрузки без замены элементов.

Из-за указанных недостатков эти схемы не нашли широкого применения. Чаще используют комбинированные схемы на реле и на транзисторах, позволяющие получить более четкие уровни срабатывания при перегрузках по току, а также совмещать защиту от разных факторов (рисунок 9).

Рисунок 9. Схемы защиты от перегрузки по току и от короткого замыкания на транзисторах и реле с датчиком тока: а - включенным в «плюсовую» цепь с нормально разомкнутым контактом реле. б - включенным в «плюсовую» цепь с нормально замкнутым контактом реле.

Быстродействие вышеприведенных схем составляет около десяти миллисекунд, что не всегда является достаточным для обеспечения защиты полупроводниковых преобразовательных устройств. В этом случае применяют схемы защиты на транзисторах, которые используют принцип запирания регулирующего или какого-либо дополнительного транзистора при перегрузке или коротком замыкании. В таких схемах используются различные устройства с двумя устойчивыми состояниями (рисунок 10).

Рассмотрим принцип работы схемы а. В этой схеме делитель включен в цепь эмиттера VT3, а коллектор VT3 включен на базу регулирующего транзистора. Напряжение на базе VT3 равно разности падения напряжения на R_з и напряжения смещения U_см. Резистор R_з и напряжение смещения выбираются так, чтобы в рабочем режиме VT3 был заперт и не влиял на работу схемы стабилизатора. При небольшой перегрузке уменьшается R_н и ток нагрузки увеличивается.

Рисунок 10. Схемы защиты от перегрузки по току и от короткого замыкания на транзисторах: а – с ограничением тока перегрузки, б – с включением датчика тока в «плюсовую» цепь и запиранием регулирующего транзистора.

При этом VT3 открывается и тем самым шунтирует базовую цепь, что приводит к запиранию регулирующего транзистора. При дальнейшем уменьшении R_н схема работает в режиме стабилизации тока: ток нагрузки увеличивается мало и выходное напряжение падает. Это приводит к уменьшению запирающего напряжения смещения, и регулирующий транзистор еще больше запирается. При этом в зависимости от величины R_з и напряжения смещения при коротком замыкании устанавливается такой режим, при котором ток нагрузки может быть больше, равен или несколько меньше номинального значения. Напряжение на коллекторе регулирующего транзистора равно напряжению смещения U_вх1. Мощность рассеяния регулирующего транзистора в этом режиме обычно превышает мощность рассеяния в рабочем режиме. После устранения короткого замыкания схема автоматически включается, так как появляется напряжение на выходе, а соответственно появляется и запирающее напряжение смещения. При этом VT3 закрывается и схема стабилизатора начинает нормально функционировать, что является важным достоинством рассматриваемой схемы. Существуют многие другие транзисторные схемы защиты (с различного вида триггерами и др.), которые могут быть несхожими с рассмотренной, но не имеют существенных преимуществ перед ней.