6.3. Импульсные источники питания

Источники питания непрерывного типа отличаются до­статочно высокой надежностью, низким уровнем помех, излучаемых в сеть, гальванической развязкой основной части схемы от сети. Однако данные источники имеют и определенные недостатки: наличие громоздкого, доро­гостоящего силового трансформатора; необходимость ис­пользования электролитических конденсаторов большой емкости; не очень высокий КПД (не превышает 60 %); не­обходимость стабилизации нескольких напряжений (если они имеются в схеме).

Применение импульсных источников питания улучша­ет энергетические показатели, снижает материалоемкость, повышает КПД, дает возможность применять групповую стабилизацию выходных напряжений. Общая структура построения импульсных источников питания приведена на рис.6.10.

Рис. 6.10. Общая структура построения импульсных ис­точников питания

В качестве импульсных преобразователей используют схемы автоколебательного блокинг-генератора и однотактного обратноходового преобразователя.

Автоколебательный блокинг-генератор в импуль­сном блоке питания представляет собой релаксационный генератор импульсов, содержащий однокаскадный уси­литель на транзисторе с импульсным трансформатором в цепи положительной обратной связи (ПОС). Базовая схема блокинг-генератора импульсного источника питания при­ведена на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Схема блокинг-генератора импульсного пре­образователя

В этой схеме силовой транзистор VT работает в режиме ключа, управляемого импульсами напряжения, снимаемо­го со специальной обмотки W_B трансформатора Т. Данная обмотка имеет индуктивную связь с коллекторной обмот­кой Wk. Полярность этих обмоток выбирается так, чтобы обеспечить положительную обратную связь (ПОС).

Алгоритм работы схемы следующий: заряд конденсато­ра Сб (через резисторы R и Rb) => отпирание транзистора VT => формирование импульса тока базы => насыщение тран­зистора VT (за счет ПОС) => нарастание тока коллектора 1_К (при постоянном токе базы) => выход транзистора VT из насыщения и переход в усилительный режим => регенера­тивный процесс (за счет ПОС) и запирание транзистора => отключение при помощи диода VD нагрузки во вторичной цепи нагрузки Wh => процесс перезарядки емкости Сб че­рез сопротивление R, усилительный режим транзистора VT, его насыщение и далее повторение процесса генерации импульсов.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения применяют схему регулировки момента включения клю­чевого транзистора, а также применяют схему защиты это­го транзистора от превышения тока. Такая схема показана на рис. 6.12.

В данной схеме в качестве прерывателя использует­ся транзистор VT2, который управляется оптроном U. На вход оптрона подается напряжение управления, пропор­циональное разности выходного и опорного напряжения, снимаемого со стабилитрона VD6. Устройство сравнения этих напряжений выполнено на транзисторе VT3, коллек­торный ток которого управляется светодиодом оптрона U. Защита силового транзистора VT1 от превышения тока осу­ществляется за счет датчика тока на сопротивлении R6, на­пряжение с которого через сопротивление R4 поступает на базу транзистора VT2 и происходит управление ключевым транзистором VT1. Диод VD2 и стабилитрон VD4 использу­ются для питания коллектора фототранзистора оптопары.

В подобных схемах импульсных источников питания вместо оптопары для управления стабилизатором выходно­го напряжения часто применяется дополнительная обмот­ка импульсного трансформатора. Структура построения типовых схем импульсных источников питания с исполь­зованием блокинг-генератора показана на рис.6.13.

Схема запуска 1 формирует импульсы из сетевого напря­жения и запускает работу блокинг-генератора в автоколе­бательном режиме. Автоколебательный режим обеспечи­вается ПОС за счет обмотки W₃ импульсного трансформа­тора Т1. Включение и выключение ключевого транзистора VT1 в автоколебательном режиме осуществляет схема уп­равления 2. Стабилизация напряжения U_BbIX осуществля­ется схемой стабилизации 4 за счет ООС через обмотку W₄ трансформатора Т1. Схема защиты 3 служит для запира­ния ключевого транзистора VT1 и блокировки схемы за­пуска при отказах в схеме управления 1, схеме стабилиза­ции 4, при перегрузках по выходу источника питания, при больших изменениях по входу. Информация о критичес­ком режиме работы источника питания подается на схему защиты 3 от схемы стабилизации 4. Выходное напряжение формируется на конденсаторе С2 от накопленной энергии в трансформаторе Т1 во время закрытого состояния клю­чевого транзистора VT1. В это время диод VD2 открыт, и происходит заряд конденсатора С2.

Рис. 6.13. Функциональная схема импульсного источ­ника питания с блокинг-генератором

Основным недостатком рассмотренных источников пи­тания является их недостаточно высокая надежность. В них отсутствует тепловая защита силового транзистора, защита от повышения выходного напряжения и от пони­жения напряжения питания.

Базовая схема импульсного источника питания с при­менением однотактного обратноходового преобразова­теля приведена на рис. 6.14.

В этой схеме во время включенного состояния силового транзистора VT ненасыщающийся трансформатор Т выпол­няет функцию индуктивного накопителя энергии, так как нагрузка отключена запертым диодом VD3, к аноду кото­рого подводится обратное напряжение с обмотки Wk. При запертом транзисторе VT накопленная в трансформаторе энергия через обмотку Wh и диод VD3 заряжает конден­сатор С2 и передается в нагрузку. Выходное напряжение регулируется временем включенного состояния силового транзистора VT. Для этого используется схема управле­ния. Стабилизация выходного напряжения осуществляет­ся за счет ООС. Выходное напряжение Uh сравнивается с опорным Uon (на стабилитроне VD5) и от их разности зави­сит ток через светодиод оптрона U1. При этом питание фо­тотранзистора оптрона U1 выполняется напряжением, ко­торое поступает с обмотки Wb, выпрямляется диодом VD4 и стабилизируется стабилитроном (VD6). Выходной сигнал оптрона через схему управления регулирует время вклю­ченного состояния транзистора VT таким образом, чтобы

выходное напряжение оставалось неизменным.

Для повышения надежности импульсных источников питания разными фирмами было разработано много раз­личных микросхем управления. Появились и интеграль­ные микросхемы инверторов, которые требуют минималь­ное количество навесных элементов, имеют достаточно надежную защиту и обеспечивают высокий КПД. Данные микросхемы выпускают как в интегральном, так и в гиб­ридном исполнении. Гибридные микросхемы обычно со­стоят из двух частей - бескорпусной микросхемы управле­ния и силового биполярного или полевого транзистора.