Импульсные источники питания на микросхемах и транзисторах

Импульсные источники питания стали фактически непременным атрибутом любой современной бытовой техники, потребляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, применяются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные транзисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе выходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных источниках питания используют высоковольтные транзисторы, которые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в открытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне моделей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы появилась достойная замена биполярным транзисторам, традиционно используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисторы отечественного, и, главным образом, зарубежного производства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Генератор импульсов

Рис. 1. Генератор импульсов — схема.

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ширины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис. 1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561ЛА7) собран генератор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необходимости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компараторы напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через формирующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, C3, VD5) подаются прямоугольные импульсы. Заряд конденсаторов С2, C3 происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5.

Когда напряжение на конденсаторе С2 или C3 достигнет порога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соответственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой между импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов используется в схеме импульсного источника питания.

Плавное регулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, C3) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных импульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и конденсаторами Са, Сб. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного делителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — полевой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулировать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым выходной мощностью преобразователя.

Импульсный источник питания

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них. Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпрямителей сетевого напряжения, задающего генератора, формирователя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DD1.1, DD1.2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микросхеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка длительности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импульсов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт.

Предварительный усилитель мощности выполнен на транзисторах ѴТ1, ѴТ2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах ѴТЗ, ѴТ4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах ѴТ5, ѴТ6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выходе источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 (КС182+КС139) закрыты, транзистор ѴТ5 закрыт, транзистор ѴТ6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемента DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 напрямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2). На выходе этого элемента формируются широкие управляющие импульсы.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания на транзисторах и микросхемах.

На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источника питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2. При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1.

Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происходит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. Кнопка SB1 предназначена для запуска схемы.

При максимальной длительности положительные и отрицательные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обусловленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рассасывания избыточных носителей на базовом переходе.

Выходные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 см2. В базовые цепи этих транзисторов желательно установить сопротивления величиной 10…51 Ом.

Каскады усиления мощности и схема формирования двухполярных импульсов получают питание от выпрямителей, выполненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых кольцах К10x6x4,5 3000НМ; ТЗ — К28х16х9 3000НМ. Первичная обмотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два провода). Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 витков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода.

Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне изменения сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (стабилизированное напряжение положительной и отрицательной полярности 12 6 и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые со вторичной обмотки трансформатора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника питания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или феррорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с выходным каскадом на время налаживания устройства рекомендуется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разработан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5 Вт, питаемых напряжением 5…24 В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на выходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагрузки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора ѴТЗ сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресс-пермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 содержат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каждая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм. Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца.

Рис 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1. Его обмотки наматывают на разборном каркасе виток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой наматывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм.

Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной линией), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани. Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5 В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Источник высокого напряжения 30…35 кВ

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания постоянного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ (рис. 4).

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, C3 и R4, С4 задают частоту генератора.

Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериодов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17).

Конденсаторы умножителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна замена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10 кВ или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного импульсного источника постоянного тока 30-35 кВ.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансформатора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. Высоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 /им, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь высоковольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощности (рис. 5), собрано на основе специализированной микросхемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагрузкой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микросхеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя частота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Схема источника питания с микросхемой Power Integration

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Power Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Преобразователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номиналах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, потребляющую 20 Вт при напряжении 24 В.

КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 кГц. Устройство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в табл. 5.1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y TOP227Y.

Тип микросхемы	Рмах, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Rcи  открытого транзистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
TOP222Y	15	0,5	15,6
TOP223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
TOP226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2.6

Высокоэффективный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффективный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразователь U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрямители и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катушки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечники типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000. Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все обмотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

Мощные полевые и биполярные транзисторы PHILIPS для импульсных источников питания

В ассортименте фирмы PHILIPS имеется целая гамма высоковольтных транзисторов, предназначенных для использования в импульсных силовых цепях питания телевизоров, видеомагнитовонов, мониторов и другой бытовой аппаратуры. Все они обычно выполнены либо по биполярной технологии, либо по технологии MOSFET — полевой МОП-транзистор с изолированным затвором.

Эти транзисторы в большинстве своем служат в устройствах формирования рабочих напряжений, в том числе для питания оконечных каскадов усилителей мощности звукового сигнала.

Наиболее экономично высоковольтные транзисторы работают в двухтактном преобразователе с прерывающимся тюком дросселя.

Максимальное значение напряжения на коллекторе транзистора в таком преобразователе равно сумме подводимого выпрямленного напряжения питающей сети и напряжения пикового броска. Амплитуда напряженияэтого броска зависит от начальной индуктивности трансформатора преобразователя и от емкости сглаживающего пульсации конденсатора, подключенного в цепи коллектора транзистора. Для используемого напряжения электросети устанавливается минимально необходимое напряжение коллектор-эмиттер, которое только может выдержать транзистор. При увеличении индуктивности трансформатора или при уменьшении емкости конденсатора надежность транзистора по мощности и частоте повышается.

Мощные полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором для блоков питания

Сетевое напряжение 110/220 Вольт требует применения транзисторов с рабочим напряжением не менее 400 Вольт. Таким напряжением обладают мощные транзисторы серии Power MOSFET. При сетевом напряжении 220/240 Вольт рабочее напряжение транзистора должно быть не менее 800 Вольт и только в особых случаях (при ограничении напряжения на коллекторе) допускается применение транзистора той же серии с напряжением около 600 Вольт. Основные параметры указанных транзисторов даны в таблице ниже:

Транзистор	Максимальное напряжение сток-исток, В	Максимальное сопротивление между стоком и истоком открытого транзистора, Ом	Ток стока, А
BUK454-400B	400	1,8	1,5
BUK455-400B	400	1,0	2,5
BUK437-400B	400	0,5	6,5
BUK454-800A	800	6,0	1,0
BUK456-800A	800	3,0	1,5
BUK456-800B	800	2,0	4,0
BUK438-800A	800	1,5	4,0

Биполярные транзисторы для импульсных блоков питания

При напряжении питающей сети 220/240 Вольт в двухтактных преобразователях рекомендуют использовать транзистор, рассчитанный на напряжение 1000 В. Транзисторы, основные характеристики которых приведены в таблице 2, предназначены именно для этих целей. Если начальная индуктивность трансформатора велика и напряжение может превышать 1000 Вольт, лучше использовать транзисторы BU603 и BU903 с напряжением 1350 Вольт.

Таблица 2

Транзистор	Максимальное напряжение коллектора, когда потенциал базы ниже или равен потенциалу эмиттера, В	Максимальное напряжение коллектора, когда потенциал базы выше потенциала эмиттера, В	Ток коллектора, А	Минимальный коэффициент усиления потоку	Максимальное напряжение коллектор-эмиттер при насыщении транзистора, В
BUX85	1000	450	1	5	1,0
BUT11A	1000	450	2,5	5	1,5
BUT18A	1000	450	4	5	1,5
BUT12A	1000	450	5	5	1,5
BUW13A	1000	450	8	5	1,5
BU603	1350	550	2	6	2,0
BU903	1350	550	3,2	6	2,0

Критерии выбора транзистора для блока питания

Главным критерием выбора служат максимальные значения токов и напряжений, допустимые для выбранного транзистора. При выборе типа транзистора (MOSFET или биполярный) следует руководствоваться простотой его управления, стоимостью и требованием минимальной энергии при работе в наиболее сложных схемах. Следует также обращать внимание и на возможность переключения с малыми потерями на частотах ниже 50 кГц.

Играют роль также размеры прибора. Так, в устройствах питания от сети 110/120В наибольшее распространение получили транзисторы типа MOSFET с напряжением 400 В, в устройствах с напряжением питания 220/240 В преобладают биполярные транзисторы, хотя и здесь транзисторы MOSFET, рассчитанные на напряжение 800 Вольт, не менее популярны.

С помощью данных таблицы 3 можно выбрать транзистор для двухтактного преобразователя источника питания с учетом указанных выше критериев:

Таблица 3

Мощность, Вт	110/120	220/240
50	BUK454-400B	BUK454-800B; BUX85
100	BUK455-400B	BUK456-800A; BUT11A/BU603
120	BUK437-400B	BUK438-800B; BUT11A
150	BUK437-400B	BUK438-800B; BUT18A/BU903
200	BUK437-400B	BUK438-800B; BUT12A/BUW13A

Корпуса и цоколевка мощных транзисторов Philips для блоков питания

Тиристоры, симисторы, динисторы Philips основные характеристики и типы корпусов

Полный datasheet симистора BT134 с возможностью скачать бесплатно даташит в pdf формате или смотреть в онлайн справочнике по электронным компонентам на Времонт.su

Импульсные блоки питания

Блоки питания (БП) предназначены для реализации вторичной мощности в электрических цепях, а также для преобразования напряжения до необходимых значений. Элементы могут быть встроены в оборудование или подключаться самостоятельным звеном.

Виды блоков питания

Существует два принципа преобразования электроэнергии в устройствах: на основе аналогового трансформатора и на импульсных блоках питания (ИБП).

Трансформаторные БП. Особенность блоков питания такого типа заключается в использовании силового трансформатора для изменения напряжения в сети. Устройства понижают амплитуду синусоидальной гармоники и направляют ее в выпрямитель, состоящий из силовых диодов. Сглаживание происходит за счет параллельно подключенной емкости. Окончательная стабилизация питающего напряжения осуществляется в полупроводниковой схеме с резисторами.

Трансформаторные преобразователи до недавнего времени были единственными в своем роде, но имели недостатки:

• большой вес и крупные габариты;
• высокую стоимость, зачастую многократно превосходящую цену остальных компонентов сети.

Импульсные БП. В конструкции устройства нет понижающего трансформатора. Почти во всей современной аппаратуре установлены именно импульсные блоки питания как наиболее компактные и эффективные.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

• Малый вес и компактные размеры. Уменьшение габаритов устройств обусловлено переходом от использования тяжелых силовых трансформаторов. В ИБП нет линейных управляющих систем, которые требуют установки больших охлаждающих радиаторов. Повышение частоты обрабатываемых сигналов также позволило уменьшить размеры конденсаторов.
• Высокий КПД. Низкочастотные трансформаторы характеризуются значительными потерями энергии в виде тепла, которое образуется в результате электромагнитных преобразований. В ИБП максимальные потери происходят в каскаде силовых ключей во время переходных процессов, а все остальное время транзисторы устойчивы. Потери энергии сведены к минимуму. КПД устройств достигает 98 %.
• Широкий диапазон входных напряжений. Область применения устройств значительно расширена. Импульсные технологии позволяют использовать блоки питания в сетях с различными стандартами электроэнергии.
• Встроенные системы защиты. Большинство моделей имеют автоматическую защиту от токов короткого кроткого замыкания, системы аварийного отключения нагрузок и т. д. Защитные устройства надежно встраиваются в конструкцию блоков благодаря применению миниатюрных цифровых полупроводниковых модулей.
• Доступная стоимость. Элементная база ИБП постоянно унифицируется. Снижается стоимость на основные компоненты устройств, которые выпускаются серийно на автоматических станках. Дополнительное сокращение затрат достигается за счет использования менее мощных полупроводников.

Недостатками ИБП являются:

• Ограничения по мощности. Существуют противопоказания, как при высоких, так и при низких нагрузках. Если в выходной цепи ток упадет ниже критического значения, то блок начинает генерировать напряжение с искаженными характеристиками, либо полностью отказывает схема запуска.
• Наличие высокочастотных помех. Блоки вырабатывают их в любом исполнении. Высокочастотные помехи транслируются в окружающую среду, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос об их подавлении. В некоторых видах чувствительной цифровой аппаратуры использование ИБП по этой причине невозможно.

Принцип работы импульсного источника питания

Устройство работает по принципу инвертора. Сначала переменное напряжение в блоке преобразуется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже с необходимой частотой.

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

• ШИМ-контроллера, который регулирует преобразование широтно-импульсной модуляции;
• каскада силовых ключей, подключенных по мостовой, полумостовой схеме или по схеме со средней точкой;
• импульсного трансформатора.

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

• напряжение 220В поступает на выпрямитель. Амплитуда сглаживается за счет работы конденсаторов емкостного фильтра;
• проходящие синусоиды выпрямляются диодным мостом;
• транзисторная схема преобразует ток в импульсы прямоугольной формы и высокой частоты.

Преобразование синусоид в импульсы может выполняться с гальваническим отделением питающей сети от выходных сетей или без нее.

Виды импульсных блоков питания

С гальванической развязкой. Высокочастотные сигналы поступают на трансформатор, ответственный за гальваническую развязку цепей. Устройства такого типа имеют более компактный магнитопровод и характеризуются повышенной эффективностью использования. Чаще всего сердечник трансформатора изготавливают из ферромагнетиков, а не из электротехнических сталей, что также позволяет уменьшить размеры элементов.

Без гальванической развязки. В схеме импульсного БП отсутствует высокочастотный разделительный трансформатор. Питающий сигнал поступает на фильтр нижних частот.

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

• сетевой выпрямитель;
• накопительная фильтрующая емкость;
• силовой транзистор;
• генератор;
• транзисторная схема обратной связи;
• оптопара;
• импульсный источник питания;
• выходной диодный выпрямитель;
• цепи управления выходного напряжения;
• фильтрующие конденсаторы;
• дроссели, предназначенные для диагностики и коррекции напряжения;
• выходные разъемы.

Если в устройстве используется преобразователь постоянного напряжения, то первые два компонента становятся не нужными. Сигнал проходит непосредственно на ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Этот элемент является самым сложным в конструкции ИБП. Его основные функции:

• генерация импульсов высокой частоты;
• контроль и коррекция частотной последовательности с учетом данных обратной связи;
• защита от перегрузок.

С ШИМ-модуля сигнал поступает на ключевые транзисторы. Их силовые выводы нагружены на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. В конструкции ИБП вместо обычных биполярных транзисторов используют элементы MOSFET или IGBT, которые характеризуются минимальным падением напряжения и быстродействием.

Со вторичной обмотки импульсного трансформатора (таких элементов может быть несколько в цепи) напряжение подается на выходные диоды с повышенной рабочей частотой. Чаще всего в конструкциях используют диоды Шоттки.

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

Малогабаритные ИБП на интегральных микросхемах применяются в конструкции зарядных устройств для электронных гаджетов: планшетов, телефонов, электронных книг. Элементы такого типа востребованы также в производстве телевизоров, усилителей, медицинских приборов, низковольтных осветительных установок.

Выбирайте и заказывайте блоки питания в каталоге компании «ПРОМАИР». Мы предлагаем широкий модельный ряд, выгодные цены, предоставляем грамотные консультации по характеристикам устройств. Для связи со специалистами позвоните по телефонам +375 (17) 513-99-92 или +375 (17) 513-99-93.

Импульсный блок питания 5 В, 2,5 А

Блоки питания с трансформаторами на частоту 50 Гц сегодня практически сдали свои позиции импульсным с высокой рабочей частотой, которые при той же выходной мощности имеют, как правило, меньшие габариты и массу, более высокий КПД. Основные сдерживающие факторы для самостоятельного изготовления импульсных блоков питания радиолюбителями — трудности с расчётом, изготовлением или приобретением готового импульсного трансформатора или ферритового магнитопровода для него. Но если для сборки маломощного импульсного блока питания использовать готовый трансформатор от компьютерного блока питания формфактора ATX, задача значительно упрощается.

У меня оказался в наличии неисправный компьютерный блок питания IW-ISP300J2-0 (ATX12V300WP4). В нём был заклинен вентилятор, пробит маломощный диод Шотки, а более половины всех установленных оксидных конденсаторов вздуты и потеряли ёмкость. Однако дежурное напряжение на выходе +5VSB было. Поэтому было принято решение, используя импульсный трансформатор источника дежурного напряжения и некоторые другие детали, изготовить другой импульсный источник питания с выходным напряжением 5 В при токе нагрузки до 2,5 А.

В блоке питания ATX узлы источника дежурного напряжения легко обособить. Он даёт напряжение 5 В и рассчитан на максимальный ток нагрузки 2 А и более. Правда, в старых блоках питания этого типа он может быть рассчитан на ток всего 0,5 А. При отсутствии на этикетке блока пояснительной надписи можно ориентироваться на то, что трансформатор источника дежурного напряжения с максимальным током нагрузки 0,5 А значительно меньше трансформатора источника на 2 А.

Схема самодельного импульсного блока питания с выходным напряжением 5…5,25 В при максимальном токе нагрузки 2,5 А изображена на рис. 1. Его генераторная часть построена на транзисторах VT1, VT2 и импульсном трансформаторе T1 по образу и подобию имевшейся в компьютерном блоке, из которого был извлечён трансформатор.

Рис. 1. Схема самодельного импульсного блока питания

 

Вторичные узлы исходного блока питания (после выпрямителя напряжения +5 В) было решено не повторять, а собрать по традиционной схеме с интегральным параллельным стабилизатором напряжения в качестве узла сравнения выходного напряжения с образцовым. Входной сетевой фильтр собран из имеющихся деталей с учётом свободного места для их монтажа.

Переменное напряжение сети 230 В через плавкую вставку FU1 и замкнутые контакты выключателя SA1 поступает на RLC фильтр R1C1L1L2C2, который не только защищает блок от помех из питающей сети, но и не даёт создаваемым самим импульсным блоком помехам проникнуть в сеть. Резистор R1 и дроссели L1, L2, кроме того, уменьшают бросок потребляемого тока при включении блока. После фильтра напряжение сети поступает на мостовой диодный выпрямитель VD1-VD4. Конденсатор C9 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.

На высоковольтном полевом транзисторе VT2 собран генераторный узел преобразователя напряжения. Резисторы R2-R4 предназначены для запуска генератора. Суммарная мощность этих резисторов увеличена, поскольку печатная плата блока питания, из которого они извлечены, под ними заметно потемнела в результате перегрева. По той же причине демпфирующий резистор R8 установлен большей мощности, а в качестве VD6 применён более мощный, чем в прототипе, диод.

Стабилитрон VD5 защищает полевой транзистор VT2 от превышения допустимого напряжения между затвором и истоком. На биполярном транзисторе VT1 собран узел защиты от перегрузки и стабилизации выходного напряжения. При увеличении тока истока транзистора VT2 до 0,6 А падение напряжения на резисторе R5 достигнет 0,6 В. Транзистор VT1 откроется. В результате напряжение между затвором и истоком полевого транзистора VT2 уменьшится. Это предотвратит дальнейшее увеличение тока в канале сток- исток полевого транзистора. По сравнению с прототипом сопротивление резистора R5 уменьшено с 1,3 до 1,03 Ом, резистора R6 увеличено с 20 до 68 Ом, ёмкость конденсатора C13 увеличена с 10 до 22 мкФ.

Напряжение с обмотки II трансформатора T1 поступает на выпрямительный диод Шотки VD8, размах напряжения на выводах которого около 26 В. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает конденсатор C15. Если по тем или иным причинам выходное напряжение блока питания стремится увеличиться, растёт напряжение на управляющем входе параллельного стабилизатора напряжения DA1. Ток, текущий через излучающий диод оптрона U1, увеличивается, его фототранзистор открывается. Открывшийся в результате транзистор VT1 уменьшает напряжение между затвором и истоком полевого транзистора VT2, что возвращает выходное напряжение выпрямителя к номинальному значению. Цепь из резистора R16 и конденсатора C16 предотвращает самовозбуждение стабилизатора.

Изготовленный источник питания оснащён стрелочным измерителем тока нагрузки PA1, что значительно повышает удобство пользования им, поскольку позволяет быстро оценить ток, потребляемый нагрузкой. Шунтом для микроамперметра PA1 служит омическое сопротивление обмотки дросселя L4. Светодиоды HL1 и HL2 подсвечивают шкалу микроамперметра.

На выходные разъёмы XP2 и XS1 напряжение поступает через фильтр L5C19. Стабилитрон VD9 с диодом VD10 предотвращают чрезмерное повышение выходного напряжения при неисправности цепей его стабилизации.

Рабочая частота преобразователя — около 60 кГц. При токе нагрузки 2,3 А размах пульсаций выпрямленного напряжения на конденсаторе C15 — около 100 мВ, на конденсаторе C18 — около 40 мВ и на выходе блока питания — около 24 мВ. Это очень неплохие показатели.

КПД блока питания при токе нагрузки 2,5 А — 71 %, 2 А — 80 %, 1 А — 74 %, 0,2 А — 38 %. Ток короткого замыкания выхода — около 5 А, потребляемая от сети мощность при этом — около 7 Вт. Без нагрузки блок потребляет от сети около 1 Вт. Измерения потребляемой мощности и КПД проводились при питании блока постоянным напряжением, равным амплитуде сетевого.

При длительной работе с максимальным током нагрузки температура внутри его корпуса достигала 40 ^оС при температуре окружающего воздуха 24 ^оС. Это значительно меньше, чем у многочисленных малогабаритных импульсных источников питания, входящих в комплекты различных бытовых электронных приборов. При токе нагрузки, равном половине заявленного максимального значения, они перегреваются на 35…55 ^оС.

Большинство деталей описываемого блока питания установлены на плате размерами 75×75 мм. Монтаж — двухсторонний навесной. В качестве корпуса применена пластмассовая распределительная коробка размерами 85x85x42 мм для наружной электропроводки. Блок в открытом корпусе показан на рис. 2, а его внешний вид — на рис. 3.

Рис. 2. Блок в открытом корпусе

 

Рис. 3. Внешний вид блока

 

При изготовлении блока следует обратить особое внимание на фазировку обмоток трансформатора T1, начало и конец ни одной из них не должны быть перепутаны. Применённый трансформатор 3PMT10053000 (от упомянутого выше компьютерного блока питания) имеет также предназначенную для выпрямителя напряжения -12 В обмотку, которая в данном случае не использована. Взамен него можно применить почти любой подобный трансформатор. Для ориентировки при подборе трансформатора привожу значения индуктивности обмоток использованного: I — 2,4 мГн, II — 17 мкГн, III — 55 мкГн.

В качестве PA1 применён микроамперметр M68501 (индикатор уровня от отечественного магнитофона). Учтите, что микроамперметры этого типа различных лет выпуска имеют очень большой разброс сопротивления измерительного механизма. Если установить нужный предел измерения подборкой резистора R13 не удаётся, нужно включить последовательно с дросселем L4 проволочный резистор небольшого сопротивления (ориентировочно 0,1 Ом).

При градуировке микроамперметра неожиданно выяснилось, что он очень чувствителен к статическому электричеству. Поднесённая пластмассовая линейка могла отклонить стрелку прибора до середины шкалы, где она могла остаться и после того, как линейка была убрана. Устранить это явление удалось удалением имевшейся плёночной шкалы. Вместо неё была приклеена липкая алюминиевая фольга, которой были оклеены и свободные участки корпуса. Экран из фольги следует соединить проводом с любым выводом микроамперметра. Можно попробовать обработать корпус микроамперметра антистатическим средством.

Напечатанную на принтере бумажную шкалу приклеивают на место удалённой. Образец шкалы изображён на рис. 4. Как видите, у этого микроамперметра она заметно нелинейна.

Рис. 4. Образец шкалы

 

Резистор R1 — импортный невозгораемый. Вместо такого резистора можно установить проволочный мощностью 1…2 Вт. Отечественные металлоплёночные и углеродные резисторы в качестве R1 не подходят. Остальные резисторы общего применения (С1-14, С2-14, С2-33, С1-4, МЛТ, РПМ). Резистор R19 для поверхностного монтажа припаян непосредственно к выводам розетки XS1.

Оксидные конденсаторы — импортные аналоги К50-68. Использование конденсаторов C15, C18, C19 с номинальным напряжением 10 В вместо часто применяемых в импульсных блоках питания оксидных конденсаторов на напряжение 6,3 В значительно повышает надёжность устройства. Плёночный конденсатор C2 ёмкостью 0,033…0,1 мкФ предназначен для работы на переменном напряжении 275 В. Остальные конденсаторы — импортные керамические. Конденсаторы C14, C17 припаяны между выводами соответствующих оксидных конденсаторов. Конденсатор C20 установлен внутри штекера ХР2.

Мощная сборка диодов Шотки S30D40C взята из неисправного компьютерного блока питания. В рассматриваемом устройстве она может работать без теплоотвода. Заменить её можно на MBR3045PT, MBR4045PT, MBR3045WT. MBR4045WT При максимальном токе нагрузки корпус этой сборки нагревается до 60 ^оС — это самый горячий элемент в устройстве. Вместо диодной сборки можно применить два обычных диода в корпусе DO-201AD, например, MBR350, SR360, 1N5822, соединив их параллельно. К ним со стороны выводов катодов нужно прикрепить дополнительный медный теплоотвод, показанный на рис. 5.

Рис. 5. Дополнительный медный теплоотвод

 

Вместо диодов 1N4005 подойдут 1 N4006, 1 N4007, UF4007, 1N4937, FR107, КД247Г, КД209Б. Диод FR157 можно заменить на FR207, FM207, FR307, PR3007. Один из перечисленных диодов подойдёт и вместо КД226Б. Заменой диода FR103 может служить любой из UF4003, UF4004, 1N4935GP RG2D, EGP20C, КД247Б. Вместо стабилитрона BZV55C18 подойдут 1N4746A, TZMC-18.

Светодиоды HL1, HL2 — белого цвета свечения из узла подсветки ЖКИ сотового телефонного аппарата. Их приклеивают к микроамперметру цианакрилатным клеем. Транзистор KSP2222 можно заменить любым из PN2222, 2N2222, KN2222, SS9013, SS9014, 2SC815, BC547 или серии КТ645 с учётом различий в назначении выводов.

Полевой транзистор SSS2N60B извлечён из неисправного блока питания и установлен на ребристый алюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 20 см², причём все выводы транзистора должны быть электрически изолированы от теплоотвода, при работе блока питания с максимальным током нагрузки этот транзистор нагревается всего до 40 ^оС. Вместо транзистора SSS2N60B можно применить SSS7N60B, SSS6N60A, SSP10N60B, P5NK60ZF, IRFBIC40, FQPF10N60C.

Оптрон EL817 можно заменить другим четырёхвыводным (SFH617A-2, LTV817, PC817, PS817S, PS2501-1, PC814, PC120, PC123). Вместо микросхемы LM431ACZ подойдёт любая функционально аналогичная в корпусе ТО-92 (TL431, AZ431, AN1431T).

Все дроссели — промышленного изготовления, причём магнитопроводы дросселей L1, L2, L4 — H-образные ферритовые. Сопротивление обмотки дросселя L4 — 0,042 Ом. Чем крупнее этот дроссель по размеру, тем меньше будет нагреваться его обмотка, тем точнее будет измерять ток нагрузки микроамперметр PA1. Дроссель L5 намотан на кольцевом магнитопроводе, чем меньше сопротивление его обмотки и чем больше её индуктивность, тем лучше. Дроссель L3 — надетая на вывод общего катода диодной сборки VD8 ферритовая трубка длиной 5 мм.

Штекер XP2 соединён с конденсатором C19 сдвоенным многожильным проводом 2×2,5 мм² длиной 120 см. Розетка XS1 USB-AF закреплена в отверстии корпуса устройства клеем.

Первое включение изготовленного устройства в сеть переменного тока производят без нагрузки через лампу накаливания мощностью 40…60 Вт на 235 В, установленную вместо плавкой вставки FU1. Предварительные испытания под нагрузкой выполняют, заменив FU1 лампой накаливания мощностью 250…300 Вт. Нити ламп накаливания при нормальной работе блока питания не должны светиться. Безошибочно изготовленное из исправных деталей устройство начинает работать сразу.

При необходимости подборкой резистора R13 можно установить показания амперметра. Подбирая резистор R14, устанавливают выходное напряжение блока питания равным 5…5,25 В. Повышенное напряжение компенсирует его падение на проводах, соединяющих блок с нагрузкой.

Изготовленный источник питания можно эксплуатировать совместно с доработанным USB-концентратором [1], к которому можно будет подключить до четырёх внешних жёстких дисков типоразмера 2,5 дюйма, работающих одновременно. Мощности будет достаточно и для питания, например, таких устройств, как [2].

Литература

1. Бутов А. Доработка USB-концентратора. — Радио, 2013, № 11, с. 12.

2. БутовА. Преобразователь напряжения 5/9 В для питания радиоприёмников. — Радио, 2013, № 12, с. 24, 25.

Автор: А. Бутов, с. Курба Ярославской обл.

Революция в схемах компьютерных блоков питания полувековой давности / Хабр

Полвека назад улучшенные транзисторы и импульсные стабилизаторы напряжения произвели революцию в схемах компьютерных блоков питания. Получила преимущества, к примеру, компания Apple – хотя не она запустила эту революцию, несмотря на заявления Стива Джобса.

Без Intel внутри: на рентгене видны компоненты импульсного блока питания, использованного в оригинальном микрокомпьютере Apple II, вышедшем в 1977 году

Компьютерным блокам питания не уделяется должного внимания.

Как энтузиаст технологий, вы наверняка знаете, какой у вашего компьютера микропроцессор и сколько у него физической памяти, однако есть вероятность, что вам ничего не известно о его блоке питания. Не тушуйтесь – даже производители разрабатывают БП в последнюю очередь.

А жаль, поскольку на создание БП для персональных компьютеров ушло довольно много сил, и это было серьёзное улучшение по сравнению с теми схемами, что питали другую потребительскую электронику вплоть до конца 1970-х. Этот прорыв стал возможен благодаря огромным скачкам в полупроводниковой технологии, сделанным полвека назад, в частности, улучшениям в импульсных стабилизаторах напряжения и инновациям в интегральных схемах. Но при этом данная революция прошла мимо внимания общественности, и даже неизвестна многим людям, знакомым с историей микрокомпьютеров.

В мире БП не обошлось без выдающихся чемпионов, включая и личность, упоминание которой может вас удивить: Стива Джобса. Согласно его авторизованному биографу, Уолтеру Айзексону, Джобс очень серьёзно относился к БП передового персонального компьютера Apple II и его разработчику, Роду Холту. Джобс, как утверждает Айзексон, заявлял следующее:

Вместо обычного линейного БП, Холт создал такой, который использовался в осциллографах. Он включал и выключал энергию не 60 раз в секунду, а тысячи раз; это позволяло ему сохранять энергию на гораздо меньших промежутках времени, в результате чего он испускал гораздо меньше тепла. «Этот импульсный БП был таким же революционным, как логическая плата Apple II, — сказал позже Джобс. – Рода не часто хвалят за это в книжках по истории, а должны были бы. Сегодня все компьютеры используют ИБП, и все они скопированы со схемы Рода Холта».

Это серьёзное заявление показалось мне не слишком достоверным, и я провёл своё расследование. Я обнаружил, что, хотя ИБП и были революционными, эта революция произошла в конце 1960-х и середине 1970-х, когда ИБП приняли эстафету у простых, но неэффективных линейных БП. Apple II, появившийся в 1977, получил преимущества этой революции, но не вызывал её.

Исправление джобсовской версии событий – не какая-то мелочь из инженерной области. Сегодня ИБП представляют собой повсеместный оплот всего, мы используем их ежедневно для зарядка наших смартфонов, планшетов, ноутбуков, камер и даже некоторых автомобилей. Они питают часы, радио, домашние аудиоусилители, и другую мелкую бытовую технику. Спровоцировавшие эту революцию инженеры заслуживают признания своих заслуг. Да и вообще, это весьма интересная история.

БП в настольных компьютерах, таких, как Apple II, преобразует переменный линейный ток в постоянный ток, и выдаёт очень стабильное напряжение для питания системы. БП можно сконструировать множеством разных способов, но чаще всего встречаются линейные и импульсные схемы.

Со всеми бородавками

В прошлом небольшие электронные устройства обычно использовали громоздкие БП-трансформаторы, получившие уничижительное прозвище «стенные бородавки». В начале XXI века технологические улучшения позволили начать практическое применение компактных импульсных источников питания малой энергии для питания небольших устройств. С падением стоимости импульсных AC/DC адаптеров они быстро заменили собой громоздкие БП у большинства домашних устройств.

Apple превратила зарядник в хитроумное устройство, представила прилизанную зарядку для iPod в 2001 году, внутри которой был компактный обратноходовой преобразователь под управлением интегральных схем (слева на картинке). Вскоре получили широкое распространение USB-зарядки, а ультракомпактный зарядник в виде дюймового куба от Apple, появившись в 2008, стал культовым (справа).

Самые модные зарядники высокого уровня подобного типа сегодня используют полупроводники на основе нитрида галлия, способные переключаться быстрее кремниевых транзисторов, и потому более эффективные. Развивая технологии в другом направлении, сегодня производители предлагают USB-зарядки уже по цене меньше доллара, хотя и экономя при этом на качестве питания и системах безопасности.

* * *

Типичный линейный БП использует громоздкий трансформатор для преобразования высоковольтного AC в розетке в низковольтный AC, который затем превращается в низковольтный DC при помощи диодов, обычно четырёх штук, подключенных в классическую схему диодного моста. Для сглаживания выходного напряжения диодного моста применяются крупные электролитические конденсаторы. Компьютерные БП используют схему под названием линейный стабилизатор, уменьшающую напряжение DC до нужного уровня и удерживающую его на этом уровне даже при изменениях в нагрузке.

Линейные БП тривиальны в проектировании и создании. Они используют дешёвые низковольтные полупроводниковые компоненты. Однако у них есть два больших минуса. Один – необходимость в использовании крупных конденсаторов и громоздких трансформаторов, которые никак нельзя запихнуть в нечто столь маленькоё, лёгкое и удобное, как зарядники, которые мы все используем для наших смартфонов и планшетов. Другой – схема линейного стабилизатора, основанная на транзисторах, превращает излишнее напряжение DC – всё, что выше необходимого уровня – в паразитное тепло. Поэтому такие БП обычно теряют более половины потребляемой энергии. И им часто требуются крупные металлические радиаторы или вентиляторы, чтобы избавляться от этого тепла.

ИБП работает на другом принципе: линейный вход AV превращается в высоковольтный DC, который включается и выключается десятки тысяч раз в секунду. Высокие частоты позволяют использовать гораздо более мелкие и лёгкие трансформаторы и конденсаторы. Особая схема точно управляет переключениями для контроля выходного напряжения. Поскольку таким БП не нужны линейные стабилизаторы, они теряют очень мало энергии: обычно их эффективность достигает 80-90%, и в итоге они гораздо меньше греются.

Однако ИБП обычно гораздо более сложные, чем линейные, и их сложнее проектировать. Кроме того, они выдвигают больше требований к компонентам, и нуждаются в высоковольтных транзисторах, способных эффективно включаться и выключаться с высокой частотой.

Должен упомянуть, что некоторые компьютеры использовали БП, не являвшиеся ни линейными, ни импульсными. Одной грубой, но эффективной техникой было запитать мотор от розетки и использовать его для раскрутки генератора, выдававшего необходимое напряжение. Мотор-генераторы использовались несколько десятилетий, по меньшей мере, с момента появления машин от IBM с перфокартами в 1930-х и до 1970-х, питая, среди прочего, суперкомпьютеры Cray.

Ещё один вариант, популярный с 1950-х и вплоть до 1980-х, использовал феррорезонансные трансформаторы – особый тип трансформаторов, дающих на выходе постоянное напряжение. Также в 1950-х для регулирования напряжения ламповых компьютеров использовался дроссель насыщения, контролируемая катушка индуктивности. В некоторых современных БП для ПК он вновь появился под именем «магнитного усилителя», давая дополнительное регулирование. Но в итоге все эти старые подходы уступили место ИБП.

Принципы, лежащие в основе ИБП, известны инженерам-электрикам с 1930-х, однако эта технология редко использовалась в эру электронных ламп. В то время в некоторых БП использовались специальные ртутные лампы, тиратроны, и их можно считать примитивными, низкочастотными импульсными стабилизаторами. Среди них — REC-30, питавшая телетайп в 1940-х, а также блок питания компьютера IBM 704 от 1954 года. Но с появлением в 1950-х силовых транзисторов ИБП начали быстро улучшаться. Pioneer Magnetics начала производить ИБП в 1958. General Electric выпустила ранний проект транзисторного ИБП в 1959.

В 1960-е НАСА и аэрокосмическая индустрия стала основной движущей силой в развитии ИБП, поскольку для аэрокосмических нужд преимущества малого размера и высокой эффективности имели приоритет перед большой стоимостью. К примеру, в 1962-м спутник Telstar (первый спутник, начавший передачу телевидения) и ракета «Минитмен» использовали ИБП. Годы шли, цены пали, и ИБП начали встраивать в потребительскую технику. К примеру, в 1966 Tektronix использовала ИБП в портативном осциллографе, что позволяло ему работать как от розетки, так и от батареек.

Тенденция ускорялась по мере того, как производители начали продавать ИБП другим компаниям. В 1967 RO Associates представила первый ИБП на 20 КГц, который назвала первым коммерчески успешным примером ИБП. Nippon Electronic Memory Industry Co. начала разработку стандартизованных ИБП в Японии в 1970. К 1972 году большинство производителей БП продавали ИБП или готовились к их выпуску.

Примерно в это время индустрия компьютеров начала использовать ИБП. Среди ранних примеров – микрокомпьютер PDP-11/20 от Digital Equipment 1969 года, и микрокомпьютер 2100A от Hewlett-Packard 1971 года. В публикации 1971 года заявлялось, что среди компаний, использующих ИБП, отметились все главные игроки рынка: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs и RCA. В 1974 в списке микрокомпьютеров, использующих ИБП, отметились Nova 2/4 от Data General, 960B от Texas Instruments и системы от Interdata. В 1975 ИБП использовались в терминале HP2640A, похожем на пишущую машинку Selectric Composer от IBM, и в портативном компьютере IBM 5100. К 1976 году Data General использовала ИБП в половине своих систем, а HP – в мелких системах типа 9825A Desktop Computer и 9815A Calculator. ИБП начали появляться и в домашних устройствах, например, в некоторых цветных телевизорах к 1973 году.

ИБП часто освещались в электронных журналах той эпохи, как в виде рекламы, так и в статьях. Ещё в 1964 году Electronic Design рекомендовал использовать ИБП из-за более высокой эффективности. На обложке от октября 1971 года журнала Electronics World красовался ИБП на 500 Вт, а название статьи гласило: «Блок питания с импульсным стабилизатором». Computer Design в 1972 детально описывал ИБП и постепенный захват ими компьютерного рынка, хотя упомянул и о скептицизме некоторых компаний. На обложке Electronic Design 1976 года было написано «Переключаться внезапно стало легче», и описывалась новая интегральная схема управления ИБП. В журнале Electronics была длинная статья на эту тему; в Powertec были двухстраничные рекламные материалы о преимуществах ИБП со слоганом «The big switch is to switchers» [большие изменения для переключателей]; Byte объявлял о выпуске ИБП для микрокомпьютеров компанией Boschert.

Роберт Бошерт, уволившийся с работы и начавший собирать БП у себя на кухне в 1970-м, был ключевым разработчиком этой технологии. Он концентрировался на упрощении схем, чтобы сделать импульсные БП конкурентными по цене с линейными, и к 1974 году уже выпускал недорогие БП для принтеров в промышленных количествах, а потом в 1976 выпустил и недорогие ИБП на 80 Вт. К 1977 Boschert Inc. выросла до компании из 650 человек. Она делала БП для спутников и истребителя Grumman F-14, а позже – компьютерные БП для HP и Sun.

Появление недорогих высоковольтных высокочастотных транзисторов в конце 1960-х и начале 1970-х, выпускаемых такими компаниями, как Solid State Products Inc. (SSPI), Siemens Edison Swan (SES) и Motorola, помогло вывести ИБП в мейнстрим. Более высокие частоты переключения повышали эффективность, поскольку тепло в таких транзисторах рассеивалось в основном в момент переключения между состояниями, и чем быстрее устройство могло совершать этот переход, тем меньше энергии оно тратило.

Частоты транзисторов в то время увеличивались скачкообразно. Транзисторная технология развивалась так быстро, что редакторы Electronics World в 1971 могли заявлять, что БП на 500 Вт, представленный на обложке журнала, невозможно было произвести всего на 18 месяцев ранее.

Ещё один заметный прорыв случился в 1976, когда Роберт Маммано, сооснователь Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для контроля ИБП, разработанную для электронного телетайпа. Его контроллер SG1524 кардинально упростил разработку БП и уменьшил их стоимость, что вызвало всплеск продаж.

К 1974 году, плюс-минус пару лет, каждому человеку, хотя бы примерно представлявшему себе состояние индустрии электроники, было ясно, что происходит реальная революция в конструкциях БП.

Лидеры и последователи: Стив Джобс демонстрирует персональный компьютер Apple II в 1981 году. Впервые представленный в 1977, Apple II выиграл от промышленного сдвига от громоздких линейных БП к небольшим и эффективным импульсным. Но Apple II не запустил этот переход, как позже утверждал Джобс.

Персональный компьютер Apple II представили в 1977. Одной из его особенностью был компактный ИБП без вентилятора, дававший 38 Вт мощности и напряжение в 5, 12, –5, и –12 В. Он использовал простую схему Холта, ИБП с топологией обратноходового офлайнового преобразователя. Джобс заявил, что сегодня каждый компьютер копирует революционную схему Холта. Но была ли эта схема революционной в 1977? И скопировал ли её каждый производитель компьютеров?

Нет и нет. Похожие обратноходовые преобразователи в то время уже продавали Boschert и другие компании. Холт получил патенты на парочку особенностей своего БП, но их так и не стали широко использовать. А создание управляющей схемы из дискретных компонентов, как сделали для Apple II, оказалось технологическим тупиком. Будущее ИБП принадлежало специализированным интегральным схемам.

Если и был микрокомпьютер, оказавший долгосрочное влияние на проектирование БП, это был IBM Personal Computer, запущенный в 1981. К тому времени, всего через четыре года после выхода Apple II, технология БП серьёзно изменилась. И хотя оба этих ПК использовали ИБП с топологией обратноходового офлайнового преобразователя и несколькими выходами, это и всё, что между ними было общего. Контуры питания, управления, обратной связи и стабилизации были разными. И хотя БП для IBM PC использовал контроллер на интегральной схеме, в нём было почти в два раза больше компонентов, чем в БП от Apple II. Дополнительные компоненты давали дополнительную стабилизацию выходного напряжения и сигнал «качественное питание», когда все четыре напряжения были верными.

В 1984 году IBM выпустила значительно обновлённую версию ПК, под названием IBM Personal Computer AT. Его БП использовал множество новых схем, полностью отказавшись от обратноходовой топологии. Он быстро стал стандартом де факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила форм-фактор ATX, который, как и другие вещи, определившие БП ATX, по сей день остаётся стандартом.

Но, несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы питания стали сложнее в 1995 году, когда появился Pentium Pro – микропроцессор, требовавший меньшего напряжения и больших токов, чем БП ATX мог дать напрямую. Для такого питания Intel представил модуль регулирования напряжения (VRM) – импульсный преобразователь DC-DC, устанавливаемый рядом с процессором. Он уменьшал 5 В от БП до 3 В, используемых процессором. В графических картах многих компьютеров тоже есть VRM, питающий установленные в них высокоскоростные графические чипы.

Сегодня быстрому процессору от VRM может требоваться целых 130 Вт – что гораздо больше, чем полватта мощности, которые использовал процессор Apple II, 6502. Современный процессор в одиночку может использовать в три раза больше мощности, чем целый компьютер Apple II.

Растущее потребление энергии компьютерами стало причиной беспокойства, связанной с окружающей средой, в результате чего появились инициативы и законы, требующие более эффективных БП. В США правительственный сертификат Energy Star и промышленный 80 Plus требуют от производителей выдавать более «зелёные» БП. Им удаётся это сделать при помощи различных технологий: более эффективного энергопотребления в режиме ожидания, более эффективных стартовых схем, резонансных схем, уменьшающих потери питания в импульсных транзисторах, схемы типа active clamp, заменяющие импульсные диоды более эффективными транзисторами. Улучшения в технологиях силовых транзисторов MOSFET и высоковольтных кремниевых выпрямителей, произошедшие в последние десять лет, также послужили увеличению эффективности.

Технология ИБП продолжает развиваться и другими путями. Сегодня, вместо аналоговых схем, многие поставщики используют цифровые чипы и программные алгоритмы, контролирующие выход. Разработка контроллера БП стала как вопросом проектирования железа, так и вопросом программирования. Цифровое управление питанием позволяет поставщикам общаться с остальной системой с большей эффективностью и вести логи. И хотя эти цифровые технологии по большей части используются в серверах, они начинают влиять на разработку настольных ПК.

Сложно увязать всю эту историю с мнением Джобса о том, что Холт должен быть известен шире, или что «Рода не часто хвалят за это в книжках по истории, а должны были бы». Даже самые лучшие разработчики БП не становятся известными за пределами крохотного сообщества. В 2009 году редакторы Electronic Design пригласили Бошерта в свой «Инженерный зал славы». Роберт Маммано получил награду «достижения всей жизни» в 2005 году от редакторов Power Electronics Technology. Руди Севернс получил другую такую награду в 2008 году за инновации в ИБП. Но никто из этих светил в области проектирования БП даже не отмечен в Википедии.

Часто повторяемое мнение Джобса о том, что Холта незаслуженно не заметили, привело к тому, что работу Холта описывают в десятках популярных статей и книжек про Apple, от «Реванша нердов» Пола Киотти, появившейся в журнале California в 1982, до биографии Джобса, бестселлера за авторством Айзексона, вышедшего в 2011. Так что весьма иронично, что, хотя его работа над Apple II вовсе не была революционной, Род Холт, вероятно, стал самым известным разработчиком БП всех времён.

AT блок питания на TL494 своими руками

Приветствую, Самоделкины!
В данной статье продолжим изучать различные топологии вместе с Романом (автором YouTube канала «Open Frime TV»), и на очереди у нас AT блок питания.

На данный момент такие блоки питания потихоньку уходят из быта. Но давайте все же попробуем собрать один такой блок и разобраться что к чему.

Топология здесь довольно сложная. По этой причине автор оттягивал, как только можно, создание блока питания данного типа. Давайте разбираться, что к чему. Если посмотреть на полумостовой блок питания с полевыми транзисторами, то тут практически не возникает вопросов как это работает, все вроде понятно.

Взглянув же на блок питания АТ, то тут появляется парочка вопросов.

Первый вопрос: зачем третья обмотка в ТГР (трансформаторе гальванической развязке)?

Второй вопрос: зачем дополнительные транзисторы после управляющей микросхемы?

В общем, давайте по порядку рассмотрим все сложные моменты. Начнем с трансформатора гальванической развязки (ТГР).


Самое главное, что нужно усвоить, это трансформатор тока, а не напряжения, как в схеме с полевиками. Все из-за того, что для управления биполярным транзисторам необходим ток, а полевикам напряжение. Ну и, казалось бы, в чем собственно проблема, берем, вдуваем в ТГР больше мощности и вот, он уже спокойно рулит и полярниками.

Но для начала давайте представим какой ток должен быть в цепи базы. Средний h31 у биполярных транзисторов, которые тут применяются, около 10. Для того, чтобы транзистор пропустил ток в 2А, необходимо ему в базу подать 200мА.

И вроде бы все просто, подаем 200мА и забываем про эту проблему. Но стоит напомнить, что у транзисторов есть такой момент, как рассасывание не основных зарядов. Причем, чем больше был ток базы, тем дольше транзистор закрывается, а это уже влечет за собой нагрев.
В АТ блоках питания это пофиксили введением положительной обратной связи. Если быть еще более точным, то той самой дополнительной третьей обмоткой ТГР.


Работает это следующим образом: ток силового трансформатора проходит через ТГР и создает в нем прирост тока для открытия транзистора. Отсюда следует, что чем больше нагрузка, тем больше ток базы. Соответственно, чем меньше нагрузка, тем меньше ток базы. И все это возможно без применения каких бы то ни было микросхем и управляющих элементов. Довольно интересное решение, не правда ли.

Также через этот трансформатор можно отслеживать протекающий в первичке ток и построить на этом защиту. В стандартных схемах это делают следующим образом: снимают сигнал со средней точки первичной обмотки, так как напряжение на ней поднимается пропорционально току нагрузки. Чем выше этот ток, тем соответственно больше напряжение.


Далее узел защиты следит за уровнем сигнала. Если он превышает заданный уровень, то происходит либо уменьшение ширины импульсов, либо же их полная остановка.

Теперь давайте разберемся с транзисторами на первичке.

Тут необходимо понимать, что данные транзисторы инвертируют сигнал. Получается, что транзисторы постоянно открыты. Когда микросхема (в данном случае TL494) подает сигнал, она закрывает определенный транзистор. Это в свою очередь дает импульс в ТГР, а тот, уже открывает силовой транзистор.

Диоды в эмиттерах транзисторов необходимы для того, чтобы гарантированно закрыть последние.

Также нужно отметить, что управляющий импульс здесь довольно слабый, и пытаться его увеличить не имеет никакого смысла.
АТ блок питания отличается от блока питания АТХ наличием дежурки.

В случае АТ блока необходимо создать условие запуска. Для этого вводят вот эти резисторы (см. изображение ниже).

Пара этих резисторов и дает старт схеме. Давайте более подробно рассмотрим, как это работает.
Собственно, здесь все довольно просто и ничего необычного нет. В момент включения блока питания, на базах 0 В. Затем постепенно, по мере заряда основных емкостей, туда через резисторы поступает некоторое напряжение, а так как параметры транзисторов не идентичны, один из них начнет открываться быстрее. А как мы знаем, постоянный ток в индуктивности не создает поле, поэтому, через некоторое время ток перестанет создавать поле в ТГР. Что это значит? А значит это то, что транзистор начнет закрываться.

А так, как в схеме присутствуют вот эти два конденсатора (см. изображение ниже), после первого же импульса, один из них будет заряжен, он то и подопрет базу транзистора и не даст ему вновь открыться.


Далее откроется противоположный транзистор и так по кругу. Вследствие таких манипуляций, на выходной обмотке силового трансформатора будут появляться импульсы, которые зарядят вот эту емкость:


После превышения на ней напряжения в 8В, включится микросхема и уже возьмет управление на себя.

Дальнейшая схема уже не представляет особого интереса, так как подобное уже не раз разбиралось, например, отслеживание отрицательного напряжения шунта и отрицательная обратная связь.

Со схемой разобрались, можно переходить к печатной плате. Автор изготовил данную печатку чисто для ознакомления с данным типом блоков питания, поэтому снять большую мощность в данном случае не получится.

Но это решается перерисовкой печатки с большим трансформатором. Если хотите сделать хороший блок питания, придется нарисовать свою плату. Скачать архив проекта можно ЗДЕСЬ.

Чтобы все было красиво, можно заказать печатные платы, например, в Китае. Тогда вы получите печатки высокого заводского качества. Экспериментальный же образец можно изготовить методом ЛУТ, что собственно и сделал автор.
Следующим шагом можно запаять на плату радиодетали, все, кроме трансформаторов, их еще предстоит намотать.


Начнем с трансформатора гальванической развязки (ТГР). Его расчет довольно-таки сложный. Здесь необходимо выдержать коэффициент трансформации для нормального управления, чтобы насыщение базы не было в избытке или недостатке. По этой причине проще взять готовое решение из какого-нибудь блока питания.

Автор выпаял ТГР из старого АТ блока питания, размотал его и получил следующие параметры:


Далее приступаем к намотке своего ТГР. Автор мотал на каркасе Е16, витки вместились в притирку, но сердечники схлопнулись.

Приблизительные расчеты для ТГР выглядит следующим образом:

Теперь приступаем к намотке силового трансформатора. Для расчета воспользуемся программами Старичка.

Частоту преобразования берем стандартную для блоков питания АТ – 36кГц, выше поднимать не стоит, может появиться сквозной ток.
Более подробно, как намотать трансформатор, произвести правильные расчёты, а также процесс сборки и испытаний, автор демонстрирует в этом видеоролике:

Давайте протестируем получившийся блок питания. Для этого нам понадобятся следующие, думаю знакомые многим радиолюбителям, устройства: лабораторный автотрансформатор, осциллограф, электронная нагрузка и пара мультиметров.

Первым делом посмотрим на осциллограммы на базах силовых транзисторов:

Как видим, ШИМ стабилизация присутствует. Для следующего теста понадобится электронная нагрузка.


Так как это пробная модель, ждать от нее каких-нибудь сверхтоков не стоит. Со стабилизацией напряжения, как видим, здесь все в порядке, она в пределах нормы.


Такие показатели вполне пригодны для питания большинства схем. На этом все. Вот такой вот АТ блок питания получилось собрать. Благодарю за внимание. До новых встреч!
Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Facebook

ВКонтакте

Twitter

ОК

Самый простой импульсный блок питания

Автор Евгения На чтение 25 мин. Опубликовано 02.03.2020

Самый простой импульсный блок питания

Самый простой импульсный блок питания

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида “Artillery power supply 24V 3A”, “Блок питания XK-2412-24”, “Eyewink 24V switching power supply” и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили “народной”, ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации – см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.

Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F1	Обычный плавкий предохранитель.
5D-9	Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C1	Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L1	Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307	Выпрямительный диодный мост.
R5, R9	Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C4 до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ – увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R10	Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C2	Сглаживающий конденсатор.
R3, C7, VD2	Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R3 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C3	Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R6, VD1, C4	Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 – 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C4). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C4 должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C4 следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R6. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи – при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R13	Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD3	Защита затвора транзистора.
R8	Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT1	Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R7, C6	Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R1	Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C8	Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817	Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода – 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании – соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD4	Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R2, C12	Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R2 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C13, L2, C14	Выходной фильтр.
C20	Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C14 по ВЧ.
R17	Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R16	Токоограничивающий резистор для светодиода.
C9, R20, R18, R19, TLE431, PC817	Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L₁ и входным конденсатором C₁. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L₁ также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C₁.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.

Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C₁₄.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход – для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

Простые импульсные блоки питания

Аналогичные схемы разрабатывались многими радиолюбителями для разных целей, но каждый конструктор вкладывал в схему что-то свое, менял расчеты, отдельные компоненты схемы, частоту преобразования, мощность, подстраивая под какие-то, известные только самому автору, нужды…

Мне же часто приходилось использовать подобные схемы вместо их громоздких трансформаторных аналогов, облегчая вес и объем своих конструкций, которые необходимо было запитать от сети. Как пример: стерео-усилитель на микросхеме, собранный в дюралевом корпусе от старого модема.

Содержание / Contents

↑ Схема ИБП на биполярных транзисторах

↑ Схема ИБП на полевых транзисторах

Все намоточные данные трансформаторов приведены на рисунках. Максимальная мощность нагрузки, которую может запитать блок питания с трансформатором, выполненном на ферритовом кольце марки 3000НМ 32×16Х8, около 70Вт, на К40×25Х11 той же марки, — 150Вт.

Диод VD1 в обеих схемах запирает схему запуска подачей отрицательного напряжения на эмиттер однопереходного транзистора после запуска преобразователя.

Из особенностей — выключение блоков питания производится замыканием обмотки II коммутирующего трансформатора. При этом нижний по схеме транзистор запирается и происходит срыв генерации. Но, кстати, срыв генерации происходит именно по причине «закорачивания» обмотки.

Запирание транзистора в данном случае, хоть и явно происходит по причине замыкания контактом выключателя эмиттерного перехода, — вторично. Однопереходной транзистор в данном случае не сможет запустить преобразователь, который может находиться в таком состоянии (оба ключа заперты по постоянному току через нулевое практически сопротивление обмоток трансформатора) сколь угодно долго.

Правильно расчитанная и аккуратно собранная конструкция блока питания, как правило, легко запускается под требуемой нагрузкой и в работе ведет себя стабильно.

Камрад, смотри полезняхи!

C детства – музыка и электро/радио-техника. Перепаял множество схем самых различных по разным поводам и просто, – для интереса, – и своих, и чужих.

За 18 лет работы в Северо-Западном Телекоме изготовил много различных стендов для проверки различного ремонтируемого оборудования.
Сконструировал несколько, различных по функционалу и элементной базе, цифровых измерителей длительности импульсов.

Более 30-ти рацпредложений по модернизации узлов различного профильного оборудования, в т.ч. – электропитающего. С давних пор все больше занимаюсь силовой автоматикой и электроникой.

Почему я здесь? Да потому, что здесь все – такие же, как я. Здесь много для меня интересного, поскольку я не силен в аудио-технике, а хотелось бы иметь больший опыт именно в этом направлении.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
• Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

• частотно-импульсным;
• фазо-импульсным;
• широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

• Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
• Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
• Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
• Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

• различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
• внешние блоки питания;
• электронный балласт для осветительных приборов;
• БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
• Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
• Транзистор VT1 – KT872A.
• Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
• Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
• Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Простейший ИБП

Маломощный импульсный блок питания можно использовать в самых разных радиолюбительских конструкциях. Схема такого ИБП отличается особой простотой, поэтому может быть повторена даже начинающими радиолюбителями.

Основные параметры БП:
Входное напряжение – 110-260В 50Гц
Мощность – 15 Ватт
Выходное напряжение – 12В
Выходной ток – не более 0,7А
Рабочая частота 15-20кГц

Исходные компоненты схемы можно достать из подручного хлама. В мультивибраторе использовались транзисторы серии MJE13003, но при желании можно заменить на 13007/13009 или аналогичные. Такие транзисторы легко найти в импульсных блоках питания (в моем случае были сняты из компьютерного БП).

Конденсатор по питанию подбирается с напряжением 400 Вольт (в крайнем случае, на 250, чего очень не советую)
Стабилитрон использован отечественный типа Д816Г или импортный с мощностью порядка 1 ватт.

Диодный мост – КЦ402Б, можно использовать любые диоды с током 1 Ампер. Диоды нужно подобрать с обратным напряжением не менее 400 вольт. Из импортного интерьера можно ставить 1N4007 (полный отечественный аналог КД258Д) и другие.

Импульсный трансформатор – ферритовое кольцо 2000НМ, размеры в моем случае К20х10х8, но были использованы и также большие кольца, при этом намоточные данные не менял, работало нормально. Первичная обмотка (сетевая) состоит из 220 витков с отводом от середины, провод 0,25-0,45мм (больше нет смысла).

Вторичная обмотка в моем случае содержит 35 витков, что обеспечивает на выходе порядка 12 Вольт. Провод для вторичной обмотки подбирается с диаметром 0,5-1мм. Максимальная мощность преобразователя в моем случае не более 10-15 ватт, но мощность можно изменить подбором емкости конденсатора С3 (при этом, намоточные данные импульсного трансформатора уже меняются). Выходной ток такого преобразователя порядка 0,7А.
Сглаживающую емкость (С1) подобрать с напряжением 63-100Вольт.

На выходе трансформатора стоит использовать только импульсные диоды, поскольку частота достаточно повышена, обычные выпрямительные могут и не справится. FR107/207 пожалуй, самые доступные из импульсных диодов, часто встречаются в сетевых ИБП.

БП не имеет никаких защит от короткого замыкания, поэтому не следует замыкать вторичную обмотку трансформатора.

Перегрев транзисторов не замечал, с выходной нагрузкой 3 Ватт (светодиодная сборка) они ледяные, но на всякий случай можно установить на небольшие теплоотводы.

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

1. PTC термистор любого типа.
2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
3. Диодная сборка типа «вертикалка».
4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
2. Затем, устанавливается пара конденсаторов.
3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод FR107 не нужно.
4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
6. На выходе диоды.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

1. Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

1. При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
2. Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса – основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
2. На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

Биполярный транзистор с изолированным затвором или транзистор IGBT

Биполярный транзистор , также называемый для краткости IGBT , представляет собой нечто среднее между обычным биполярным транзистором (BJT) и полевым транзистором (MOSFET), что делает его идеальным в качестве полупроводниковое коммутационное устройство.

IGBT-транзистор использует лучшие части этих двух типов общих транзисторов, высокий входной импеданс и высокую скорость переключения полевого МОП-транзистора с низким напряжением насыщения биполярного транзистора, и объединяет их вместе для создания другого типа переключения транзисторов. устройство, способное выдерживать большие токи коллектор-эмиттер с практически нулевым током затвора.

Типичный IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) сочетает в себе технологию с изолированным затвором (отсюда и первая часть его названия) полевого МОП-транзистора с выходными характеристиками обычного биполярного транзистора (отсюда и вторая часть его названия).

Результатом этой гибридной комбинации является то, что «IGBT-транзистор» имеет характеристики переключения выхода и проводимости биполярного транзистора, но управляется напряжением, как MOSFET.

БТИЗ

в основном используются в приложениях силовой электроники, таких как инверторы, преобразователи и источники питания, где требования к твердотельному коммутационному устройству не полностью удовлетворяются силовыми биполярами и силовыми полевыми МОП-транзисторами. Доступны сильноточные и высоковольтные биполяры, но их скорости переключения медленные, в то время как силовые полевые МОП-транзисторы могут иметь более высокие скорости переключения, но высоковольтные и сильноточные устройства дороги и труднодоступны.

Преимущество биполярного транзистора с изолированным затвором перед биполярным транзистором или полевым МОП-транзистором состоит в том, что он обеспечивает больший выигрыш по мощности, чем стандартный биполярный транзистор, в сочетании с более высоким напряжением и меньшими входными потерями полевого МОП-транзистора.По сути, это полевой транзистор, интегрированный с биполярным транзистором в форме конфигурации типа Дарлингтона, как показано.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

Мы можем видеть, что биполярный транзистор с изолированным затвором представляет собой трехконтактное устройство для повышения проводимости, которое объединяет вход N-канального МОП-транзистора с изолированным затвором и выход биполярного транзистора PNP, подключенный по типу конфигурации Дарлингтона.

В результате терминалы имеют маркировку: Collector , Emitter и Gate .Два из его выводов (C-E) связаны с путем проводимости, по которому проходит ток, а его третий вывод (G) управляет устройством.

Величина усиления, достигаемая биполярным транзистором с изолированным затвором , представляет собой соотношение между его выходным сигналом и его входным сигналом. Для обычного биполярного переходного транзистора (BJT) величина усиления приблизительно равна отношению выходного тока к входному току, называемого бета.

Для металлооксидного полупроводникового полевого транзистора или полевого МОП-транзистора входной ток отсутствует, поскольку затвор изолирован от основного токоведущего канала.Следовательно, коэффициент усиления полевого транзистора равен отношению изменения выходного тока к изменению входного напряжения, что делает его устройством крутизны, и это также верно для IGBT. Тогда мы можем рассматривать IGBT как силовой BJT, базовый ток которого обеспечивается полевым МОП-транзистором.

Биполярный транзистор с изолированным затвором может использоваться в схемах усилителя малых сигналов во многом так же, как транзисторы типа BJT или MOSFET. Но поскольку IGBT сочетает в себе низкие потери проводимости BJT с высокой скоростью переключения силового MOSFET, существует оптимальный твердотельный переключатель, который идеально подходит для использования в приложениях силовой электроники.

Кроме того, IGBT имеет гораздо более низкое сопротивление в открытом состоянии, R _ON , чем эквивалентный MOSFET. Это означает, что падение I ² R на биполярной выходной структуре для данного тока переключения намного меньше. Операция прямой блокировки транзистора IGBT идентична силовому полевому МОП-транзистору.

При использовании в качестве переключателя с статическим управлением биполярный транзистор с изолированным затвором имеет номинальные значения напряжения и тока, аналогичные номинальным значениям тока и напряжения биполярного транзистора. Однако наличие изолированного затвора в IGBT делает его намного проще в управлении, чем BJT, поскольку требуется гораздо меньшая мощность привода.

Биполярный транзистор с изолированным затвором просто включается или выключается путем активации и деактивации его клеммы затвора. Подача положительного сигнала входного напряжения на затвор и эмиттер будет держать устройство в состоянии «ВКЛ», в то время как установка нулевого или слегка отрицательного входного сигнала затвора приведет к его отключению во многом так же, как и у биполярного транзистора. или eMOSFET. Еще одним преимуществом IGBT является то, что он имеет гораздо более низкое сопротивление канала в открытом состоянии, чем стандартный полевой МОП-транзистор.

Характеристики IGBT

Поскольку IGBT — это устройство, управляемое напряжением, для поддержания проводимости через устройство требуется только небольшое напряжение на затворе, в отличие от BJT, которые требуют, чтобы базовый ток постоянно подавался в достаточном количестве для поддержания насыщения.

Также IGBT является однонаправленным устройством, что означает, что он может переключать ток только в «прямом направлении», то есть от коллектора к эмиттеру, в отличие от полевых МОП-транзисторов, которые имеют возможность двунаправленного переключения тока (контролируемого в прямом направлении и неконтролируемого в обратном направлении. ).

Принцип работы и схемы управления затвором биполярного транзистора с изолированным затвором очень похожи на схему N-канального силового МОП-транзистора. Основное отличие состоит в том, что сопротивление основного проводящего канала, когда ток течет через устройство в его состоянии «ВКЛ», в IGBT намного меньше. Из-за этого номинальный ток намного выше по сравнению с MOSFET эквивалентной мощности.

Основными преимуществами использования биполярного транзистора с изолированным затвором перед другими типами транзисторных устройств являются его высокое напряжение, низкое сопротивление в открытом состоянии, простота управления, относительно быстрая скорость переключения и в сочетании с нулевым током управления затвором, что делает его хорошим выбором. для среднескоростных приложений с высоким напряжением, таких как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), управление переменной скоростью, импульсные источники питания или инверторы постоянного и переменного тока с солнечной батареей и преобразователи частоты, работающие в диапазоне сотен килогерц.

Общее сравнение BJT, MOSFET и IGBT приведено в следующей таблице.

IGBT Сравнительная таблица

Устройство Характеристика	Мощность Биполярный	Мощность МОП-транзистор	БТИЗ
Номинальное напряжение	Высокая <1 кВ	Высокая <1 кВ	Очень высокий> 1 кВ
Текущий рейтинг	Высокий <500A	Низкий <200A	Высокий> 500A
Входной привод	Ток, ч FE 20-200	Напряжение, В GS 3-10В	Напряжение, В GE 4-8В
Входное сопротивление	Низкий	Высокая	Высокая
Выходное сопротивление	Низкий	Средний	Низкий
Скорость переключения	Медленная (США)	Быстро (нСм)	Средний
Стоимость	Низкий	Средний	Высокая

Мы видели, что биполярный транзистор с изолированным затвором представляет собой полупроводниковое переключающее устройство, которое имеет выходные характеристики биполярного переходного транзистора, BJT, но управляется как полевой транзистор на основе оксида металла, MOSFET.

Одним из основных преимуществ транзистора IGBT является простота, благодаря которой его можно включить в положение «ВКЛ», приложив положительное напряжение затвора, или переключить в состояние «ВЫКЛ», сделав сигнал затвора нулевым или слегка отрицательным, что позволяет использовать его в множество коммутационных приложений. Он также может работать в линейной активной области для использования в усилителях мощности.

Благодаря более низкому сопротивлению в открытом состоянии и потерям проводимости, а также его способности переключать высокие напряжения на высоких частотах без повреждений, биполярный транзистор с изолированным затвором идеально подходит для управления индуктивными нагрузками, такими как обмотки катушек, электромагниты и двигатели постоянного тока.

Часть 1 Разработка биполярных транзисторов для управления затвором в схемах инвертора для xEV

Всем привет! Меня зовут Танака, и я отвечаю за разработку новых биполярных транзисторов в ROHM.

Это первая из пяти статей, в которых новые силовые транзисторы и силовые диоды из первых рук объясняются инженерами, которым поручена их разработка.Они задуманы как статьи с точки зрения инженера, в отличие от пресс-релизов о новых продуктах и ​​тому подобного. Надеюсь, они вам понравятся.

«Биполярные транзисторы» … повторение этого термина может стать поводом для кратких размышлений; но, как вы знаете, они являются самыми основными из электронных компонентов. Биполярные транзисторы — это один из типов транзисторов, и их часто называют просто «транзисторами».

Биполярные транзисторы — это полупроводниковые элементы, в которых соединены полупроводники N-типа и P-типа.Они могут иметь структуру P-N-P или N-P-N. Они работают как с дырками, так и с электронами, то есть с использованием обеих полярностей, и поэтому называются «биполярными». Как правило, у них есть три вывода, называемые коллектором, базой и эмиттером, и они используются для усиления тока и в качестве переключателей для включения и выключения цепей.

Попутно отмечу, что существуют униполярные транзисторы, которые контрастируют с биполярными транзисторами. Это не тот термин, который в наши дни можно услышать очень часто, но это устройство эквивалентно полевому транзистору (FET).Что ж, оставим базовые знания на этом и перейдем к основному предмету.

Биполярные транзисторы, как относительно недорогие устройства, используемые в различных приложениях, были основным направлением транзисторной продукции; но требования по снижению энергопотребления в последние годы привели к акценту на более высокую эффективность, так что во многих случаях вместо них используются полевые МОП-транзисторы и IGBT. Однако во многих случаях преобладает использование биполярных транзисторов. Недавно мы разработали новые биполярные транзисторы для использования в таких приложениях.

Недавно разработанные устройства — это 2SAR642PHZG (тип PNP) и 2SCR642PHZG (тип NPN), которые гарантируют большой ток коллектора (импульс) ICP для управления затвором в схемах инвертора и т.п.

В последние годы электрификация транспортных средств ускоряется, чему способствуют экологические проблемы и проблемы с топливом. Спрос на гибридные автомобили и электромобили для замены обычных автомобилей с бензиновым двигателем растет, и устанавливается различное оборудование, которого не было в автомобилях с бензиновым двигателем.

В частности, в этих транспортных средствах устанавливаются высоковольтные батареи, поэтому растет спрос на высоковольтные коммутационные устройства для использования в управлении батареями. ИС драйвера затвора необходимы для управления такими высоковольтными переключающими устройствами, но условия работы устройства сильно различаются в зависимости от оборудования и намерений разработчиков.

Следовательно, чтобы повысить универсальность ИС драйвера затвора, становится все более распространенным использование биполярного транзисторного буфера между ИС драйвера затвора и высоковольтным переключающим устройством.

В качестве примера ниже показана схема инвертора, сконфигурированная с использованием ИС драйвера затвора, переключающего устройства (MOSFET или IGBT) и биполярных транзисторов.

В этом примере схемы для управления переключающим элементом необходим драйвер затвора, который может адекватно управлять емкостью затвора переключающего элемента за короткий промежуток времени. Если управляющая способность ИС драйвера затвора недостаточна для управления используемым переключающим элементом, можно использовать биполярные транзисторы в качестве буфера для решения проблемы.

Текущая емкость переключающих элементов в схемах инвертора, которые все более востребованы для использования в xEV, имеет тенденцию к увеличению, и ведется поиск биполярных транзисторов с возможностью управления большими токами для использования в буферах. По этим причинам наши недавно разработанные продукты 2SAR642PHZG и 2SCR642PHZG имеют спецификации, которые отражают эти потребности рынка, и гарантируют ICP ток коллектора (импульс) 10 А за 1 мс. Основные характеристики продукта приведены ниже.

С этого момента мы продолжим разработку новых продуктов на биполярных транзисторах, адаптированных к перспективным приложениям и рынкам.Следите за дальнейшими объявлениями.

[PDF] Коммутация при нулевом напряжении и биполярный транзистор с коммутацией эмиттера в 3

Скачать Коммутация при нулевом напряжении и биполярный транзистор с коммутацией эмиттеров в 3 …

AN2252 Замечания по применению Коммутация при нулевом напряжении и биполярный транзистор с коммутацией эмиттера в трехфазном вспомогательном источнике питания Введение Обратноходовой преобразователь является популярным выбором в приложениях, где требуемая мощность обычно меньше 200 Вт. Основные причины, объясняющие его популярность, — простота, невысокая стоимость и высокая эффективность при небольшом количестве активных компонентов.В импульсных преобразователях потери мощности вызваны рассеянием мощности паразитными элементами как пассивных, так и активных компонентов. Потери мощности в пассивных компонентах можно уменьшить, выбрав подходящие пассивные компоненты и тщательно спроектировав трансформатор. Потери мощности в активных компонентах можно уменьшить, выбрав подходящие активные компоненты и убедившись, что они используются правильно. Потери мощности, генерируемые активными компонентами, можно разделить на две категории: ●

потери проводимости

●

потери при переключении

Целью предлагаемого управления переключением при нулевом напряжении является снижение потерь переключения (в данном случае переключение первичного переключателя -при потере).Управление переключением при нулевом напряжении также значительно снижает электромагнитные помехи, возникающие при включении первичного переключателя. Потери проводимости возникают при полностью включенном устройстве из-за падения напряжения на проводящем устройстве. Предлагаемое использование биполярного транзистора с переключением эмиттеров (ESBT) в качестве первичного переключателя эффективно снижает потери проводимости. Более того, благодаря низкому напряжению насыщения и способности к быстрому переключению по сравнению с IGBT или биполярным переходным транзистором (BJT), ESBT хорошо подходит для этого использования.Эти характеристики важны в приложениях, где требуется высокая способность к пробивному напряжению. Справочная плата, представленная в этом документе, представляет собой решение для источника питания для трехфазных приложений, таких как инверторы для асинхронных двигателей, сварочные аппараты, ИБП и т. Д. Очень часто в таких приложениях нейтральная линия недоступна или ее использование ограничено. не допускается, и доступно только межфазное напряжение. Номинальное европейское межфазное напряжение составляет 400 В переменного тока. Принимая во внимание допуск ± 20%, выпрямленное входное напряжение конденсатора большой емкости может достигать 680 В постоянного тока.Топология переключения при нулевом напряжении требует отраженного обратного напряжения, равного входному напряжению конденсатора большой емкости. По этой причине необходимо использовать переключатель, который будет принимать не менее 1500 В и демонстрирует низкие потери проводимости во время включения. Доступные сегодня на рынке высоковольтные переключатели MOSFET, рассчитанные на такое напряжение, довольно дороги из-за большого размера кристалла. ESBT, благодаря низкому падению напряжения, высокой скорости, квадратному обратному смещению, безопасной рабочей области, меньшему размеру кристалла и более низкой цене, хорошо подходит для использования в качестве переключателя питания высокого напряжения.

Ноябрь 2006 г.

Ред. 2

1/21 www.st.com

Содержание

AN2252

Содержание 1

Теория ESBT и квазирезонансной работы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2

Описание схемы приложения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1

Условия эксплуатации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2

Работа по контуру. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3

2.2.1

Спецификация материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2

Конструкция трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Схема печатной платы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1

Оценка и измерения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4

Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5

История изменений. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2/21

AN2252

Список рисунков

Список рисунков Рисунок 1. Рисунок 2. Рисунок 3. Рисунок 4. Рисунок 5. Рисунок 6. Рисунок 7. Рисунок 8. Рисунок 9. Рисунок 10. Рисунок 11. Рисунок 12. Рисунок 13. Рисунок 14. Рисунок 15. Рисунок 16. Рисунок 17. Рисунок 18. Рисунок 19. Рисунок 20. Цикл переключения обратного преобразователя

— напряжение первичного переключателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Включение при нулевом напряжении.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Включение ненулевого напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Внутренняя схема и обозначение ESBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Принципиальная схема. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Размеры силового трансформатора и расположение обмоток.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Размеры трансформатора тока и расположение обмоток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Схема сборки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Схема печатной платы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Изображение конвертера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Зависимость КПД преобразователя от выходной мощности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Зависимость частоты коммутации преобразователя от выходной мощности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при полной нагрузке и минимальном входном напряжении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 16 Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при полной нагрузке и максимальном входном напряжении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при нагрузке 10% и минимальном входном напряжении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при нагрузке 10% и максимальном входном напряжении.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Детальный вид основного тока первичного переключателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Подробный вид основного тока первичного переключателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Пропорциональный базовый ток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Подробный пропорциональный базовый и коллекторный ток.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3/21

Теория ESBT и квазирезонансного режима

1

AN2252

Теория ESBT и квазирезонансного режима Как упоминалось во введении, приложение, изучаемое в этой инструкции по применению, реализует переключение при нулевом напряжении (ZVS) . Этот принцип работы также известен как квазирезонансное или долинное переключение. Эти названия происходят от формы волны напряжения на переключателе первичной стороны во время или непосредственно перед включением переключателя.На рис. 1. показано напряжение переключения, которое складывается из VIN, напряжения конденсатора большой емкости постоянного тока и Vflyback, отраженного напряжения на первичной обмотке. Напряжение обмотки зависит от состояния переключателя и количества энергии намагничивания, хранящейся в магнитной цепи трансформатора. Один период переключения можно разделить на три основные области, определяемые состоянием первичного переключателя и проводимостью выходного диода: время включения, время выключения и области времени МЕРТВ.

4/21

●

Область «Время включения» соответствует времени, в течение которого первичный переключатель включен, а намагничивающая индуктивность трансформатора накапливает энергию.

●

Во время «времени выключения» первичный выключатель выключен, и энергия намагничивающей индуктивности разряжается через проводящий выходной диод на выходной конденсатор. В течение этой фазы также возникает вызывное напряжение амплитудой Vspike. Он создается за счет индуктивности дорожки, связанной с компоновкой, и индуктивности рассеяния, создаваемой несовершенной связью магнитного поля между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Амплитуда вызывного напряжения контролируется и ограничивается схемой фиксации.

●

«Время МЕРТВЫ» начинается после того, как вся накопленная энергия намагничивающей индуктивности разряжена на выходной конденсатор. Это время называется «мертвым временем», потому что ни первичный переключатель, ни выходной диод не проводят ток. Таким образом, нет передачи энергии между первичной и вторичной сторонами. Напряжение первичной обмотки во время этой фазы резонирует и имеет косинусоидальную форму волны, начиная с напряжения, равного напряжению плато времени выключения. Время DEAD используется для инициирования следующего цикла переключения, только отсутствует преобразование энергии, поэтому эта концепция называется КВАЗИ-резонансной по сравнению с чисто резонансными преобразователями, где резонанс первичного тока или напряжения является средством преобразование энергии.Форма волны напряжения имеет отрицательный наклон и приближается к нулю или даже может пересечь его. Подходящий момент для повторного включения первичного выключателя — это самое низкое напряжение на первичном выключателе. Форма волны напряжения переключателя в этой точке напоминает впадину. Вот почему квазирезонансное переключение или переключение при нулевом напряжении также называют переключением долины. Резонансная частота в течение времени DEAD определяется индуктивностью намагничивания и паразитной емкостью. Паразитная емкость состоит из емкости первичного переключателя, емкости обмотки трансформатора, емкости между обмотками, емкостей диодов, расположенных во вторичной, вспомогательной и фиксирующей цепях, преобразованных в первичную обмотку.Дорожки на печатной плате также создают некоторую паразитную емкость в зависимости от компоновки.

AN2252

Теория ESBT и квазирезонансная работа Рис. 1.

Цикл переключения обратного преобразователя — напряжение первичного переключателя

Был выбран режим работы с переключением нуля, поскольку он имеет более высокий КПД и вызывает меньше электромагнитных помех. Преимущества использования включения при нулевом напряжении для первичного переключателя можно ясно увидеть, сравнив рисунок 2 и рисунок 4. Напряжение переключения, полученное при включении без напряжения, имеет более высокую форму волны, а ток стока или коллектора ниже.Рисунок 2.

Включение нулевого напряжения

5/21

Теория ESBT и квазирезонансного режима Рисунок 3.

AN2252

Включение ненулевого напряжения

Помимо преимуществ, режим работы ZVS есть проблемы. Основная проблема заключается в номинальном напряжении первичного переключателя. Одним из условий, необходимых для ZVS, является то, что напряжение на переключателе должно иметь возможность упасть до нуля в течение определенного времени в течение времени DEAD. Это условие может быть выполнено путем выбора напряжения Vflyback таким образом, чтобы оно было равно или больше, чем напряжение VIN конденсатора большой емкости постоянного тока.В этом случае общее напряжение на переключателе может как минимум в два раза превышать максимальное напряжение VIN. Учитывая двойное максимальное значение VIN, равное 680 В постоянного тока, скачок напряжения Vspike, равный 100 В плюс запас безопасности, требуется переключатель, рассчитанный как минимум на 1500 В. Среди доступных переключателей, рассчитанных на такое высокое напряжение, высоковольтные ESBT от STMicroelectronics имеют низкое падение напряжения в открытом состоянии, как у BJT, квадратную безопасную рабочую область, они просты в управлении и имеют скорость переключения, сравнимую со скоростью MOSFET. .ESBT представляет собой каскадную конфигурацию высоковольтного BJT и низковольтного силового полевого МОП-транзистора, как показано на рисунке 5. Эта конфигурация не является новой, и ее дискретная версия хорошо известна. Поскольку STMicroelectronics обладает хорошими знаниями и портфолио высоковольтных BJT и низковольтных силовых MOSFET с очень низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии (Rds-on), следующим шагом была интеграция и оптимизация производительности двух устройств путем их каскадного соединения. в одном пакете, чтобы снизить сложность приложения, снизить уровень электромагнитных помех и снизить цену, а также повысить надежность.Рис. 4.

6/21

Внутренняя схема и обозначение ESBT

AN2252

Описание прикладной схемы Квазирезонансный контроллер L6565 управляет ESBT, посылая сигнал ШИМ (широтно-импульсная модуляция) через электрод затвора. Электрод затвора управляет внутренним низковольтным полевым МОП-транзистором, который переключает эмиттер высоковольтного биполярного транзистора на внешний вывод S (исток). Это причина, по которой транзистор квалифицируется как «эмиттер с переключением». Вывод источника обычно подключается к заземлению приложения.База (вывод B) BJT требует смещения тока, пропорционального току коллектора (вывод C). Это пропорциональное смещение может быть обеспечено трансформатором тока. Соотношение между токами базы и коллектора определяется коэффициентом усиления по току h31E внутреннего BJT. Коэффициент трансформации трансформатора тока должен быть адаптирован к коэффициенту усиления по току. Пример схемы смещения тока приведен в разделе 2. Более подробная информация, касающаяся теоретической и практической реализации схемы смещения и работы устройства, выходит за рамки данного примечания по применению.Более подробная информация указана в примечаниях к применению AN1699 и AN1889 (см. Раздел 4), доступных на веб-сайте STMicroelectronics: www.st.com.

2

Описание прикладной схемы

2,1

Условия эксплуатации Таблица 1.

Характеристики входа / выхода Описание

2,2

Значение

Диапазон входного переменного напряжения (вход 400 В переменного тока)

320 — 480 В переменного тока

Вход Диапазон напряжения постоянного тока (вход 400 В переменного тока)

450–680 В постоянного тока

Диапазон входного переменного напряжения (вход 230 В переменного тока)

160–240 В переменного тока

Диапазон частот входного напряжения

50/60 Гц

Номинальное выходное напряжение

24 В постоянного тока

Максимальный выходной ток

4.3A

Принцип работы схемы На рисунке 5. показана схема блока питания. Источник питания может питаться от источника переменного или постоянного напряжения. В демонстрационных целях в случае источника переменного тока питание может подаваться через разъем J2 от однофазной сети 230 В переменного тока. В этом случае входное напряжение удваивается удвоителем напряжения, состоящим из диодов D2 и D3 и конденсаторов C1 и C2. Если источником входного напряжения является переменный ток со среднеквадратичным значением выше 240 В переменного тока, или если это источник постоянного тока, источник питания должен быть подключен через разъем J1.В этом случае диоды D2, D3 и диоды D1, D4 образуют мостовой выпрямитель, который заряжает последовательно соединенные конденсаторы C1 и C2. На схеме (Рисунок 5) диоды D1, D2, D3, D4 и конденсаторы C1, C2 показаны только в демонстрационных целях, а преобразователь может питаться непосредственно от напряжения шины в приложении. Управляющим устройством является квазирезонансный регулятор L6565. При нормальной работе преобразователя он питается от вспомогательной обмотки T1C силового трансформатора T1 через односторонний выпрямитель, состоящий из D5, C4 и C5.Резистор R5 и

7/21

Описание прикладной схемы

AN2252

Конденсаторы C4 и C5 представляют собой фильтр нижних частот, предназначенный для уменьшения роста напряжения VCC при высоких выходных нагрузках. При больших выходных нагрузках паразитная индуктивность рассеяния трансформатора вызывает звенящий сигнал на вспомогательной обмотке. Рисунок 5. Принципиальная схема

STC04IE170HV

8/21

AN2252

Описание прикладной схемы Конденсаторы VCC заряжаются во время фазы запуска от источника постоянного тока, состоящего из резисторов R1, R2 и R3.Благодаря очень низкому потреблению тока L6565 во время фазы запуска, пусковой ток составляет порядка сотен микроампер, что значительно снижает мощность, рассеиваемую в пусковых резисторах. Полное размагничивание сердечника трансформатора обнаруживается по переходу напряжения вспомогательной обмотки через ноль. Резистор R6 передает эту информацию внутреннему детектору перехода через ноль микросхемы через вывод 5. Резистор R7 сдвигает порог детектора перехода через ноль в сторону значения, близкого к нулю, для надежного перехода через нуль во время запуска преобразователя или в условиях перегрузки.Конденсатор С8 задерживает включение выключателя питания до момента, когда напряжение на коллекторе достигает точки впадины. Первичная цепь управления током состоит из токоизмерительных резисторов R11, R12 и фильтра нижних частот R9, C7, подключенных к выводу 4 CS управляющей ИС. Первичный выключатель питания — STC04IE170HV. Это ESBT, рассчитанный на максимальный ток 5 А и напряжение между коллектором и источником 1500 В. Затвор ESBT управляется непосредственно внутренним драйвером затвора U1 через вывод 7. ESBT также требует тока смещения для базы внутреннего BJT.Он обеспечивается трансформатором тока Т2 через диод D7. Во время хранения ток коллектора течет через переход B-C в течение времени, необходимого переходу для восстановления от проводимости. Затем ток коллектора протекает через конденсатор C10, в котором накапливается энергия, которая будет генерировать начальный всплеск тока базы, необходимый для следующего цикла переключения. Величина этого всплеска тока определяется напряжением на конденсаторе C10 (которое ограничивается стабилитроном D9), резистором R10 и сопротивлением перехода B-E внутреннего BJT ESBT.Диод D6 и резистор R4 обеспечивают ток смещения, необходимый для предварительной зарядки C10 во время первого цикла переключения и правильного запуска преобразователя. Поскольку на работу трансформатора тока может повлиять насыщение сердечника, когда произведение в вольт-секундах превышает предел, схема защиты, состоящая из R8, C9, D8 и Q2, вставляется в путь измерения тока. Эта схема представляет собой таймер, отслеживающий максимальное время включения. Если последнее выходит за определенный предел, то измеряемое по току напряжение внезапно увеличивается до максимального порогового значения, таким образом останавливая драйвер затвора и выключающий ESBT через затвор.Без этой схемы насыщение сердечника трансформатора тока привело бы к небезопасному отключению ESBT при отсутствии тока базы. Это состояние может произойти в случае пониженного напряжения на входе, например, при падении напряжения в сети или отключении источника питания. Как следствие, время включения будет увеличено выше указанного предела трансформатора тока вольт-секунда для продукта. Цепь зажима D10, D11, C3, R13 и R14 защищает переключатель ESBT от скачков напряжения, вызванных индуктивностью рассеяния трансформатора.Выходное напряжение регулируется оптоизолированным контуром обратной связи, состоящим из U2, делителя напряжения R18, R19, R20 и компонентов компенсации частотной характеристики R17, C13 и C14. Поскольку большая часть напряжения была перемещена (из-за повышенного напряжения обратного хода, обеспечиваемого соответствующим соотношением витков трансформатора) на первичную сторону, диод Шоттки 100 В можно использовать в качестве выпрямителя на вторичной стороне, даже если номинальное выходное напряжение составляет 24 В. Это одно из преимуществ использования квазирезонансного режима, который дополнительно помогает снизить потери на выходе выпрямителя и увеличивает общий КПД преобразователя по мощности.

2.2.1

Спецификация материалов Список компонентов, необходимых для сборки демонстрационной платы, показан в таблице 2. Большинство используемых активных компонентов можно приобрести у STMicroelectronics. Благодаря выдающимся характеристикам ESBT коммутатор не требует какого-либо радиатора.

9/21

Описание схемы приложения

AN2252

квазирезонансное приложение, обеспечивающее выходную мощность 100 Вт. Оба индуктивных компонента поставляются компанией VOGT Electronic Components GmbH.Таблица 2.

Спецификация материалов

Артикул

Значение

Описание

C1, C2

2

150 мкФ

Электролитический конденсатор, EPCOS, LL, B43505-A9157-M, 400 В

C3

1

6,8 нФ / 1250 В

Фольгированный конденсатор, EPCOS, B32652A7682J

C4

1

10 мкФ

Электролитический конденсатор, 25 В

C5

2

100nF, Ce

100nF 125 ° C

C10

1

100 нФ / 100 В

Многослойный полиэфирный пленочный конденсатор, EPCOS, B32560J1104J

C6, C9, C13

3

1nF

Керамический конденсатор, 50 ° C, –55 до 125 ° C

C7

1

470pF

Керамический конденсатор, 50 В, от –55 до 125 ° C

C8

1

33pF

Керамический конденсатор, 50 В, от –55 до 125 ° C

C11, C12

2

1000 мкФ / 35 В

Электролитический конденсатор, Panasonic EEUFC1V102, Nichicon UPM1V102MHH6

C14

1

22nF

Керамический конденсатор, 50 В, от –55 до 125 ° C

D1, D4

D1, D4

3 1N4007

Выпрямитель общего назначения, 1000 В, 1 А, DO-41

D5, D6, D7, D8

4

1N4148

Диод, 75 В, 0.15A, DO-35

D9

1

BZX85V3.9

Диод, стабилитрон, 3,9 В, 1,3 Вт, DO-41

D10, D11

2

STTh208

STMicroelectronics, диод, высокое напряжение сверхбыстрый, 800В, 1А, DO-41

D12

1

STPS8h200D

STMicroelectronics, диод, высоковольтная мощность Шоттки, 100В, 8А, TO-220AC

F1

1

T1A

Предохранитель, радиальный , SCHURTER, медленный, 1 А, 250 В перем. Тока

h2

1

6099B

Радиатор, AAVID THERMALOY, 6099B, 531102b02500, Rthjc = 11 ° C / Вт

Q1

H 1

70 Emitronics STCV0M Биполярный транзистор, 4 А, 1700 В, TO-247, 4 вывода

Q2

1

BC547B

STMicroelectronics, слабый сигнал 100 мА, 330 мВт, TO-92, 150 ° C

R1, R2, R3

3

680к

Резистор, размер 0204, металлопленка, 2 шт. 50В, 0.185 Вт, 1%

R4, R9, R15, R16

4

1 кОм

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0,185 Вт, 1%

R5

1

100

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0,185 Вт, 1%

R6

1

47 кОм

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0,185 Вт, 1%

R7

1

390 кОм

Резистор , размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0,185 Вт, 1%

R8

1

22 кОм

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0.185 Вт, 1%

R10

1

2R2

Резистор, размер 0207, металлическая пленка, 350 В, 0,6 Вт, 1%

R11

1

2,7

Резистор, размер 0207, металлическая пленка, 350 В , 0,6 Вт, 1%

R12

1

2,2

Резистор, размер 0207, металлическая пленка, 350 В, 0,6 Вт, 1%

10/21

AN2252

Описание схемы применения

Таблица 2.

Спецификация материалов

Артикул

Значение

Описание

R13, R14

2

82 кОм

Резистор, размер 0414, металлическая пленка, 500 В, 2 Вт, 5%

R17, R20

2

4,7кОм

Резистор, размер 0204, металлопленочный, 250В, 0.185 Вт, 1%

R18

1

39 кОм

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В, 0,185 Вт, 1%

R19

1

120 кОм

Резистор, размер 0204, металлическая пленка, 250 В , 0,185 Вт, 1%

T1

1

SL 040 923 11 03 VOGT-electronic, Силовой трансформатор, ETD39, N67

T2

1

SL 040903 21 02 VOGT-electronic, Трансформатор тока, RM13 * 7 * 4.5, Fi 340

U1

1

L6565

STMicroelectronics, квазирезонансный контроллер SMPS, DIP-8

U2

1

TL431AI

STMicroelectronics, ссылка шунта, 2.5 В, от 1 до 100 мА, 2%, TO-91, от –40 до 105 ° C

U3

1

Оптрон PC817

, SHARP, Viso = 5 кВ, CTR = 50..600% при IF = 5 мА, DIP-4

2.2.2

Конструкция трансформатора Исходная спецификация силового трансформатора следующая: ●

Минимальное входное напряжение 320 В переменного тока = 450 В постоянного тока

●

Минимальная частота переключения при полной нагрузке и минимальном входном напряжении 50 кГц

●

Отраженное обратное напряжение 500 В

●

КПД преобразователя при полной нагрузке и минимальном входном напряжении 90%

Первоначальная конструкция силового трансформатора была дополнительно оптимизирована компанией VOGT Electronic Components GmbH для работы с таким высоким напряжением.Особое внимание было уделено обеспечению расстояний по VDE за счет заполнения концов обмотки. Для улучшения магнитной связи была разделена не только первичная обмотка, но и вторичная. Две полученные таким образом первичные обмотки имеют половину общего числа витков каждая и соединены последовательно, в то время как две вторичные обмотки имеют номинальное число витков и соединены параллельно. Обмотки расположены следующим образом, начиная с обмотки, ближайшей к сердечнику: W1 (Первичная 1), W2 (Вторичная 1), W3 (Первичная 2), W4 (Вторичная 2) и W5 (Вспомогательная).Трансформатор разработан в соответствии со стандартом безопасности EN60950 для сертификации CE. Если трансформатор должен соответствовать стандарту UL по воспламеняемости изоляционного материала, соответствие которого является обязательным для приложений, реализуемых в США, то требуются некоторые модификации. Внешний вид, размеры и расположение обмоток трансформатора показаны на рисунке 6. Рисунок 6.

Размеры силового трансформатора и расположение обмоток

11/21

Описание прикладной схемы

AN2252

Основные параметры ферритового сердечника силового трансформатора выбранные из ферритовых материалов VOGT и формы показаны в Таблице 3.Размер зазора был оптимизирован для соответствия требованиям по току и индуктивности, необходимым для обеспечения номинальной выходной мощности во всем диапазоне входного напряжения. Таблица 3. Параметры сердечника силового трансформатора

Форма

ETD39

Материал

Mf 198

Коэффициент индуктивности AL [нГн]

132

Обзор основных параметров каждой обмотки можно найти в таблице 4. Поскольку Из-за прерывистого обратного хода ток в обмотке имеет только переменную составляющую, поэтому были приняты меры для минимизации потерь на вихревые токи.По этой причине первичная и вторичная обмотки выполнены из литцовой проволоки. Таблица 4.

Параметры обмотки силового трансформатора

Заказ

Стартовый штифт

Конечный штифт

Число витков

Диаметр проволоки [мм]

Материал проволоки

Индуктивность [В]

1

1

2

78

4 × 0,2

CuLL

803 × 10-6

2

9

16

8

20 × 0.2

CuLL

8,4 × 10-6

3

2

4

78

4 × 0,2

CuLL

803 × 10-6

4

10

15

8

20 × 0,2

CuLL

8,4 × 10-6

5

7

8

5

0,2 ​​

CuLL

3,3 × 10-6

Как уже упоминалось, для ESBT требуется пропорциональный базовый привод для работы.Эту функцию обеспечивает трансформатор тока Т2. Основные параметры ферритового сердечника трансформатора тока, выбранного из ферритовых материалов и форм VOGT, приведены в таблице 5. Внешний вид, размеры и расположение обмоток трансформатора тока показаны на рисунке 7. Рисунок 7.

12/21

Размеры трансформатора тока и расположение обмоток

AN2252

Описание схемы применения

Таблица 5.

Параметры сердечника трансформатора тока Описание

Значение

Форма

R13 × 7 × 4.5

Материал

Fi 340

Коэффициент индуктивности AL [нГн]

2200

Число витков первичной обмотки W2 было оптимизировано для достижения отношения витков W2 / W1, при котором трансформатор тока следует за усилением тока ESBT и, таким образом, обеспечивает пропорциональное смещение базового тока для ESBT во всем указанном диапазоне входного напряжения и диапазоне выходной нагрузки. Обзор основных параметров каждой обмотки приведен в таблице 6. Таблица 6.

2.3

Параметры обмотки трансформатора тока

Стартовый штифт

Конечный штифт

Число витков

Диаметр проволоки [мм]

Материал проволоки

Индуктивность [H]

3

5

12

0,355

CuLL

313 × 10-6

6

1

3

0,355

CuLL

19,6 × 10-6

Компоновка печатной платы Печатная плата представляет собой одностороннюю плату из FR- 4 материал с медным покрытием 70 мкм, припоем и шелкотрафаретной маской.Собранная плата содержит только сквозные компоненты. Габаритные размеры 139 х 61 мм. Верхнюю сторону сборки можно увидеть на рисунке 8. Рисунок 8.

Схема сборки

Рисунок 9. представляет собой компоновку медных соединений печатной платы. Отверстия для компонентов со сквозным отверстием не показаны.

13/21

Описание схемы приложения Рис. 9.

AN2252

Схема печатной платы

На Рис. 10. показан преобразователь. Рисунок 10. Изображение преобразователя

2.3.1

Оценка и измерения Преобразователь был специально разработан для обеспечения высокой энергоэффективности. На рисунке 11 показано, что выходная эффективность преобразователя зависит от входного напряжения (в качестве примера взяты два предельных значения). Поскольку обратное напряжение не превышает максимального входного напряжения, для некоторых значений входного напряжения не выполняются условия, при которых преобразователь работает в режиме ZVS, и включение первичного переключателя больше не происходит без потерь. Это хорошо видно на рисунке 11., где есть разница в эффективности по Vin в областях средней и низкой выходной мощности. Однако при высоких выходных мощностях потери проводимости в первичном переключателе преобладают над потерями при включении.

14/21

AN2252

Описание схемы приложения Рис. 11. Зависимость КПД преобразователя от выходной мощности

Основной характеристикой ZVS-управления, используемого с L6565, является то, что частота переключения изменяется в зависимости от нагрузки и входного напряжения. L6565 имеет встроенный блок управления временем выключения, который увеличивает время DEAD, пропуская впадину напряжения коллектора, как только время выключения превышает внутреннее пороговое значение.Рисунок 12. демонстрирует функцию этого блока и показывает, что максимальная частота переключения поддерживается ниже 120 кГц и что при очень низких токах нагрузки частота переключения имеет значение, аналогичное значению при полной нагрузке. Это положительно сказывается на коммутационных потерях в условиях небольшой нагрузки. По сравнению с управлением ZVS без функции пропуска впадин частота переключения резко возрастает и оказывает значительное влияние на потери переключения. Рисунок 12. Зависимость частоты коммутации преобразователя от выходной мощности

Подробные виды сигналов в различных рабочих условиях показаны на рисунке 13., Рисунок 14., Рисунок 15. и Рисунок 16. Рисунок 13. показывает напряжение коллектора переключателя, напряжение затвора и базовый ток, сохраненные при минимальном входном напряжении и максимальной выходной нагрузке. Включение нулевого напряжения на коллекторе происходит, когда напряжение затвора становится высоким. Осциллограмма тока базы осциллографа показывает начальный пик, обеспечиваемый конденсатором C10, за которым следует линейное изменение тока, подаваемое трансформатором тока. Поскольку показано более одной формы сигнала, базовый ток не находится в масштабе, который позволяет также показать

15/21

Описание прикладной схемы

AN2252

полный отрицательный ток, протекающий во время хранения.Видна только его часть. Время хранения, оцененное по рисунку 13, составляет около 800 нс. Рис. 13. Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и ток базы при полной нагрузке и минимальном входном напряжении

Примечание:

Канал 1 показывает напряжение коллектора переключателя (темно-синий), канал 2 показывает напряжение затвора (голубой) и канал 4 показывает базовый ток (зеленый). На Рисунке 14. показаны те же формы сигналов, что и на Рисунке 13., но в условиях максимального входного напряжения. Поскольку обратное напряжение ниже входного, включение переключателя не происходит при нулевом напряжении, как это видно по напряжению коллектора.Срок хранения остается прежним. Рисунок 14. Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и ток базы при полной нагрузке и максимальном входном напряжении

Примечание:

16/21

Канал 1 показывает напряжение коллектора переключателя (темно-синий), канал 2 показывает напряжение затвора ( голубой), а канал 4 показывает базовый ток (зеленый).

AN2252

Описание прикладной схемы На рисунке 15. показаны те же формы сигналов, что и на рисунке 13., но при 10% указанной нагрузки. Время хранения такое же, как и при полной нагрузке: около 800нс.Это доказывает хорошую конструкцию и работу трансформатора тока, который поддерживает постоянное время хранения для различных нагрузок и входных напряжений. На рисунках 13, 14 и 15 также выделена функция пропуска впадин управляющей ИС, которая помогает поддерживать частоту переключения в разумных пределах. Рисунок 15. Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при нагрузке 10% и минимальном входном напряжении

Примечание:

Канал 1 показывает напряжение коллектора переключателя (темно-синий), канал 2 показывает напряжение затвора (светло-синий) и канал 4 показывает базовый ток (зеленый).Рисунок 16. показывает, что время хранения остается стабильным даже при максимальном входном напряжении. Рис. 16. Напряжение коллектора первичного переключателя, напряжение затвора и базовый ток при нагрузке 10% и максимальном входном напряжении

17/21

Описание прикладной схемы

AN2252

На Рис. ESBT. Во время выключения BJT входит в область времени хранения, которую можно определить по отрицательному базовому току.Амплитуда базового тока во время хранения равна фактическому току коллектора непосредственно перед выключением затвора. Переход база-эмиттер не проводит, и весь ток коллектора течет через переход коллектор-база. Этот процесс аналогичен обратному восстановлению стандартного диода. Поскольку ток восстановления велик, время хранения очень короткое. Время хранения можно легко увидеть из рисунка 17. Его значение составляет около 800 нс. Поскольку соединение базового эмиттера не является проводящим, эффекты скопления тока и горячих точек значительно уменьшаются, что дает превосходную квадратную безопасную рабочую зону с обратным смещением (RBSOAR), аналогичную безопасной рабочей области (SOAR) силовых полевых МОП-транзисторов.Рисунок 17. Подробный вид основного тока первичного переключателя

На рисунке 18. показана часть формы волны базового тока, которая соответствует времени хранения. Также представлено напряжение коллектора. Повышение напряжения коллектора указывает, где заканчивается хранение и начинается время спада тока. Рисунок 18. Подробный вид тока базы первичного переключателя

Примечание: 18/21

Канал 4 показывает базовый ток (зеленый), а канал 1 показывает напряжение коллектора (синий).

AN2252

Описание схемы приложения Рисунок 19.подчеркивает пропорциональный драйв. Он показывает ток коллектора (канал 4 — зеленый) и ток базы (канал 3 — розовый) в одном масштабе. Канал 1 (синий) — это напряжение коллектора. Рисунок 19. Пропорциональный базовый ток

Рисунок 20. показывает, как базовый ток копирует ток коллектора во время хранения и во время спада тока. Канал 4 показывает ток коллектора (зеленый), канал 3 показывает ток базы (розовый), а канал 1 показывает напряжение коллектора (синий). Рисунок 20.Подробный пропорциональный базовый и коллекторный ток

Таблица 7. показывает результаты измерения температуры корпуса первичного переключателя ESBT и вторичного диода Шоттки при комнатной температуре 25 ° C для полной мощности и двух предельных значений входного напряжения.

19/21

Заключение

AN2252

Таблица 7.

Температура силовых переключателей при полной нагрузке

Входное напряжение [В постоянного тока]

Температура ESBT [° C]

Температура диода D12 [° C]

450

80.5

82

620

79,7

80,2

Обратите внимание, что переключатель ESBT не имеет внешнего радиатора, прикрепленного к его корпусу. Другими наиболее нагревательными элементами и источниками потерь являются сетевой трансформатор и выходные конденсаторы. Даже когда потери, создаваемые этими пассивными компонентами, сводятся к минимуму за счет подходящего выбора компонентов и хорошей конструкции, они по-прежнему являются значительными общими источниками потерь преобразователя.

3

Заключение В этой заметке по применению показано, как создать источник питания с высоким входным напряжением, работающий в квазирезонансном режиме.Полученный КПД примерно равен целевому значению и может быть дополнительно улучшен путем установки синхронного выпрямителя вместо вторичного диода. Благодаря высокой скорости, низким потерям проводимости и низким потерям при включении, ESBT не требует использования радиатора в качестве первичного переключателя. Поскольку этот источник питания предназначен для использования в качестве вспомогательного источника, и только часть приложения питается от его входного конденсатора большой емкости, фильтр электромагнитных помех не был размещен на плате, и источник питания не был протестирован на соответствие требованиям ЭМС.

4

5

Ссылки ●

AN1699, «Эффективная управляющая сеть для ESBT для уменьшения динамического VCESAT и повышения характеристик коммутации»

●

AN1889, «ESBT STC03DE170 В ТРЕХФАЗНОМ ВСПОМОГАТЕЛЬНОМ ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ»

История изменений Таблица 8.

20/21

История изменений

Дата

Версия

Изменения

Декабрь 2005 г.

1

Первый выпуск

28 ноября 2006 г.

2

— The документ был переформатирован — Таблица 2.и Рисунок 5. модифицированный

AN2252

Внимательно прочтите:

Информация в этом документе предоставлена ​​исключительно в связи с продуктами ST. STMicroelectronics NV и ее дочерние компании («ST») оставляют за собой право вносить изменения, исправления, модификации или улучшения в этот документ, а также в продукты и услуги, описанные в нем, в любое время без предварительного уведомления. Вся продукция ST продается в соответствии с условиями продажи ST. Покупатели несут исключительную ответственность за выбор, выбор и использование продуктов и услуг ST, описанных в данном документе, и ST не несет никакой ответственности за выбор, выбор или использование продуктов и услуг ST, описанных в данном документе.В соответствии с этим документом не предоставляется никаких лицензий, явных или подразумеваемых, путем эстоппеля или иным образом, на какие-либо права интеллектуальной собственности. Если какая-либо часть этого документа относится к продуктам или услугам третьих сторон, это не будет считаться лицензией, предоставленной ST на использование таких продуктов или услуг третьих сторон, или любой интеллектуальной собственности, содержащейся в них, или рассматриваться как гарантия, охватывающая использование в каким-либо образом в отношении таких продуктов или услуг третьих лиц или любой интеллектуальной собственности, содержащейся в них.

, ЕСЛИ ИНОЕ НЕ УКАЗАНО В УСЛОВИЯХ ПРОДАЖИ ST, ST ОТКАЗЫВАЕТСЯ ОТ ЛЮБЫХ ЯВНЫХ ИЛИ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫХ ГАРАНТИЙ В ОТНОШЕНИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И / ИЛИ ПРОДАЖИ ПРОДУКТОВ ST, ВКЛЮЧАЯ БЕЗ ОГРАНИЧЕНИЙ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ ГАРАНТИИ ЗАКОНЫ ЛЮБОЙ ЮРИСДИКЦИИ) ИЛИ НАРУШЕНИЕ ЛЮБОГО ПАТЕНТА, АВТОРСКОГО ПРАВА ИЛИ ДРУГОГО ПРАВА НА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНУЮ СОБСТВЕННОСТЬ. ПРОДУКТЫ ST НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ, РАЗРЕШЕНО ИЛИ ГАРАНТИРУЕТСЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ВОЕННЫХ, АВИАЦИОННЫХ СУДНАХ, КОСМИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ СУДНАХ, ДЛЯ СПАСЕНИЯ ЖИЗНИ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИЛОЖЕНИЙ ИЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАВМА, СМЕРТЬ, ТЯЖЕЛАЯ ИМУЩЕСТВЕННОСТЬ ИЛИ УЩЕРБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ.ПРОДУКТЫ ST, НЕ УКАЗАННЫЕ КАК «АВТОМОБИЛЬНЫЙ СОРТ», МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ТОЛЬКО В АВТОМОБИЛЬНЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ НА СОБСТВЕННЫЙ РИСК ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ.

Перепродажа продуктов ST с положениями, отличными от заявлений и / или технических характеристик, изложенных в этом документе, немедленно аннулирует любую гарантию, предоставленную ST на продукт или услугу ST, описанные здесь, и не создает или не расширяет каким-либо образом какие-либо ответственность СТ.

ST и логотип ST являются товарными знаками или зарегистрированными товарными знаками ST в разных странах.Информация в этом документе заменяет всю ранее предоставленную информацию. Логотип ST является зарегистрированным товарным знаком STMicroelectronics. Все остальные имена являются собственностью соответствующих владельцев.

© 2006 STMicroelectronics — Все права защищены Группа компаний STMicroelectronics Австралия — Бельгия — Бразилия — Канада — Китай — Чешская Республика — Финляндия — Франция — Германия — Гонконг — Индия — Израиль — Италия — Япония Малайзия — Мальта — Марокко — Сингапур — Испания — Швеция — Швейцария — Великобритания — Соединенные Штаты Америки www.st.com

21/21

Советы по питанию: когда использовать переключатель питания BJT — Управление питанием — Технические статьи

Сегодня почти напрасно пришли к выводу, что импульсный источник питания будет использовать полевой МОП-транзистор в качестве источника питания. выключатель. Однако в некоторых случаях транзистор с биполярным переходом (BJT) все же может иметь преимущество перед MOSFET. В частности, в автономных источниках питания стоимость и высокое напряжение (более 1 кВ) являются двумя причинами использования BJT вместо MOSFET.

В источниках с обратным ходом малой мощности (3 Вт и меньше) трудно превзойти стоимость BJT.В больших объемах транзистор 13003 NPN может стоить всего 0,03 доллара. Это устройство может работать с напряжением 700 В и током до 100 мА, не требуя чрезмерного базового тока. В случае BJT усиление и рассеиваемая мощность, как правило, ограничивают практическое использование в приложениях с низким энергопотреблением. На этих низких уровнях мощности разница в эффективности между MOSFET и BJT очень мала. На рисунке 1 ниже сравнивается эффективность двух аналогичных схем 5 В / 1 Вт. В одной конструкции PMP8968 используется полевой МОП-транзистор, а в другой, PMP9059, используется BJT.Это не совсем справедливое сравнение, потому что эти два источника питания были разработаны для работы с разными входными напряжениями, но оно показывает, насколько схожей может быть эффективность.

Рисунок 1: Эффективность конструкции MOSFET PMP8968 по сравнению с конструкцией PMP9059 BJT

Некоторые новые контроллеры фактически предназначены для управления BJT с целью предоставления решения с наименьшей стоимостью. В большинстве случаев контроллер с внешним BJT будет дешевле, чем контроллер со встроенным MOSFET.При проектировании с контроллером BJT необходимо убедиться, что базовая мощность и усиление BJT достаточны для обеспечения необходимого пикового тока в трансформаторе.

При немного более высоких уровнях мощности разница в эффективности между полевым транзистором и биполярным транзистором становится более значительной из-за плохих характеристик переключения и падения напряжения биполярного транзистора. Тем не менее, BJT может по-прежнему предлагать преимущество в приложениях, которые работают от входных напряжений, которые выше, чем в типичном жилом и коммерческом диапазоне 100–240 В переменного тока.Промышленные приложения и измерители мощности — вот несколько примеров ситуаций, когда может потребоваться более высокое входное напряжение. Доступные по цене МОП-транзисторы обычно не превышают 1 кВ. В некоторых приложениях для измерения мощности линейное напряжение может превышать 480 В переменного тока. После выпрямителя это дает напряжение более 680 В постоянного тока. При трехфазном входе оно может быть еще выше. Переключатель питания должен выдерживать это напряжение, а также отраженное выходное напряжение и выбросы утечки. В этих приложениях MOSFET может вообще не быть вариантом, оставляя BJT самым простым и недорогим решением (см. PMP9044, ссылка приведена ниже).

Коммутационные потери в BJT могут стать большой проблемой, поскольку уровень мощности увеличивается выше уровня 3 Вт, который мы обсуждали ранее. Использование каскодного соединения для управления BJT может решить эту проблему. На рисунке 2 ниже, от PMP7040, показано, как работает каскодное соединение. Основание BJT (Q1) привязано к шине VCC, а эмиттер опускается до низкого уровня, чтобы включить переключатель. Внутри UCC28610 низковольтный полевой МОП-транзистор подтягивает вывод DRV к низкому уровню, а внутренний датчик тока программирует пиковый ток переключения.Быстрое отключение обеспечивается внутренним полевым МОП-транзистором, поскольку он включен последовательно с внешним высоковольтным транзистором BJT.

Рисунок 2: Схема PMP7040, показывающая, как работает каскодное соединение

Таким образом, есть еще несколько причин, по которым BJT может иметь смысл в вашем источнике питания. В приложениях мощностью менее 3 Вт они могут предложить экономическое преимущество, не жертвуя слишком большой производительностью. При более высоких напряжениях они могут предложить больший выбор там, где выбор полевых МОП-транзисторов может быть ограничен.Мы также увидели, как каскодное соединение можно использовать для улучшения коммутационных характеристик BJT. Вот ссылки на несколько проектов в PowerLab, освещающие некоторые из этих аспектов…

Маломощный, недорогой обратный ход BJT:

• PMP9059 — Вход 120 В переменного тока, 5 В / 200 мА
• PMP9074 — вход 85VAC-265VAC, 12В / 3Вт

Высокое входное напряжение, обратный ход BJT:

• PMP6741 — Вход 85Vdc-576Vdc, 24V / 12W
• PMP9044 — вход трехфазного переменного тока, 3.3 В / 0,5 А

Обратный ход BJT с каскодом:

• PMP6710 — Вход 85VAC-265VAC, 12В / 1A
• PMP7040.1 — Вход 147-400 В переменного тока, 20 В / 0,25 А

Руководство по выбору силовых биполярных транзисторов

: типы, характеристики, применение

Силовые биполярные транзисторы — это полупроводники, в которых базовый слой n-типа или p-типа зажат между эмиттерным и коллекторным слоями противоположного типа. Доступны две полярности: PNP и NPN.

В обоих вариантах переходы между полупроводниковыми секциями усиливают слабые входящие сигналы.Кроме того, толстая и малолегированная область коллектора приводит к большому запирающему напряжению.

Обычно силовые биполярные транзисторы работают при более низких плотностях тока, чтобы улучшить рассеиваемую мощность на единицу площади. Устройства большего размера используются с большими токами. Кремний — наиболее часто используемый материал из-за его высокой теплопроводности и относительно низкой стоимости. Карбид кремния дает преимущества в эксплуатационных характеристиках, но является более дорогим материалом.

Технические характеристики

Технические характеристики силовых биполярных транзисторов включают:

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер — это максимально допустимое значение напряжения, которое может применяться непрерывно в обратном направлении коллекторного перехода при открытом эмиттере.

• Пробивное напряжение коллектор-база при разомкнутом выводе эмиттера.

• Максимальный ток коллектора — это максимальный ток, который может выдерживать коллектор при активном транзисторе.

• Произведение коэффициента усиления по току на ширину полосы — это частота, на которой статический коэффициент передачи прямого тока равен единице.

• Статический коэффициент передачи прямого тока , который также известен как коэффициент усиления по току с общим эмиттером, представляет собой соотношение входного постоянного тока и выходного постоянного тока.

• Рассеиваемая мощность , общая потребляемая мощность устройства, обычно измеряется в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт).

• Другие технические характеристики биполярных транзисторов включают:

  • Прирост мощности

  • Выходная мощность

  • Диапазон температур

Некоторые устройства поддерживают определенный температурный диапазон и обладают механическими и электрическими характеристиками, подходящими для коммерческого, промышленного или автомобильного применения.Другие силовые биполярные транзисторы соответствуют требованиям военных спецификаций (MIL-SPEC).

Типы пакетов

Базовые типы корпусов ИС для силовых биполярных транзисторов: контур транзистора (TO), малый контур (SO) и транзистор с малым контуром (SOT).

Для каждого типа упаковки доступно множество вариантов. Контурные пакеты транзисторов включают:

• TO-92, однорядный корпус, часто используемый для маломощных устройств

• TO-220, который подходит для силовых устройств большой мощности, среднего тока и с быстрым переключением.

• TO-263, версия корпуса TO-220 для поверхностного монтажа.

Пакеты транзисторов малого размера включают:

• SOT23, который часто используется в бытовой технике, офисном и промышленном оборудовании, персональных компьютерах, принтерах и коммуникационном оборудовании.

• SOT89, пластиковый корпус для поверхностного монтажа с тремя выводами и площадкой коллектора для хорошей теплопередачи.

• SOT223, герметичный корпус, обеспечивающий отличную производительность в условиях высоких температур и влажности.

Типы корпусов IC для IGBT также включают дискретный или декаваттный корпус (DPAK) и плоский корпус (FPAK).

Методы упаковки

Методы упаковки силовых биполярных транзисторов включают в себя катушку с лентой, направляющую, объемную упаковку и ламповую технологию.

• Катушка с лентой Метод позволяет упаковывать компоненты в ленточную систему путем наматывания определенной длины или количества для транспортировки, обработки и конфигурирования в стандартном для отрасли автоматизированном оборудовании для сборки плат.

• Рейка , еще один стандартный метод упаковки, обычно используется только в производственных условиях.

• Bulk pack устройства распространяются как отдельные части, а компоненты лотков доставляются в лотках.

• Трубчатый или стержневой магазин Метод используется для подачи силовых биполярных переходных транзисторов в автоматические установочные машины для сквозного или поверхностного монтажа.

Стандарты

• IEC 60747-7 — Полупроводниковые приборы. Дискретные устройства. Часть 7. Биполярные транзисторы.
• JEDEC JESD 24-4 — Измерение теплового импеданса биполярных транзисторов (метод дельта-база-эмиттер)

Список литературы

Кредиты изображений:

Motorola | NXP | Jameco

MJF18006 datasheet — Биполярный силовой транзистор NPN для импульсного источника питания

0-1393219-6 : Relay Spco 12vdc.

2SA1837 : Эпитаксиальный. Кремниевый транзистор PNP для усилителей мощности и каскадных усилителей.

2SJ530 : для общего переключения. Что касается изменения названий, упомянутых в документе, таких как Hitachi Electric и Hitachi XX, на Renesas Technology Corp. Полупроводниковые операции Mitsubishi Electric и Hitachi были переданы Renesas Technology Corporation 1 апреля 2003 года. Эти операции включают микрокомпьютер, логику, аналоговую и дискретные устройства, и микросхемы памяти.

BAW56W : Малосигнальные переключающие диоды.

BC461-6 : Доступны варианты досмотра = ;; Полярность = PNP ;; Пакет = TO39 (TO205AD) ;; Vceo = 60V ;; IC (продолжение) = 2A ;; HFE (мин) = 115 ;; HFE (макс.) = 250 ;; @ Vce / ic = 4 В / 500 мА ;; FT = 50 МГц ;; PD = 1Вт.

BYV42ESeries : от 5 до 100 ампер. Выпрямительные диоды сверхбыстрые, прочные. Пассивированные стеклом высокоэффективные прочные двойные выпрямительные диоды в пластиковом корпусе с низким падением прямого напряжения, сверхбыстрым временем восстановления и характеристикой мягкого восстановления.Эти устройства могут выдерживать обратные скачки напряжения и обладают гарантированной защитой от обратных скачков напряжения и электростатического разряда. Они предназначены для использования в импульсных источниках питания и высоких.

BZX5510 : Кремниевые планарные стабилитроны. Кремниевые планарные стабилитроны Напряжения на стабилитронах классифицируются в соответствии с международным стандартом E 24. Другие допуски по напряжению и более высокие напряжения стабилитрона по запросу. РАЗМЕРЫ РАЗМЕР дюймы Мин. 1.083 Макс. 0,075 0,020 Мин. 27,50 мм Макс. 1,9 0,52 Примечание. Ток стабилитрона см. Таблицу «Характеристики». Рассеиваемая мощность при Tamb = 25 Температура перехода Хранение.

CT20VSL-8 : Низкое напряжение <600 Вольт. Использование проблескового маячка биполярного транзистора с изолированным затвором Mitsubishi.

NEZ7177-8DD : 4w / 8w C-band Power GAAS Fet N-channel GAAS Mes Fet. GaAs полевые транзисторы серии NEZ обладают высокой выходной мощностью, высоким коэффициентом усиления и высокой эффективностью в диапазоне C для микроволновой и спутниковой связи. Внутренние входные и выходные цепи, согласованные с 50, предназначены для обеспечения хорошей равномерности усиления и выходной мощности в выделенной полосе частот.Для снижения теплового сопротивления в устройстве используется PHS (Plated Heat.

).

SB10100 : Вафля. Пластина Шоттки, 10А 100В 102мил. Общие: 10 A Стандартный VF ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Напряжение блокировки постоянного тока: Ir = 1 мА (для формы пластины) Ir = 0,5 мА (для формы кубика) Средний выпрямленный прямой ток Максимальное мгновенное прямое напряжение при 10 А, Ta = 25 ° C Максимальное мгновенное обратное напряжение VR = 100 В, Ta = 25C ​​Максимальная емкость перехода 0 В, 1 МГц МАКСИМАЛЬНЫЕ НОМИНАЛЫ Непериодические пиковые выбросы.

XN06213XN6213 :. Параметр Номинальные характеристики Напряжение от коллектора к эмиттеру элемента Ток коллектора Общая рассеиваемая мощность Общая температура перехода Температура хранения Напряжение от коллектора к базе Обозначение VCBO VCEO PT Tj Tstg Параметр Напряжение от коллектора к базовому напряжению Напряжение от коллектора к эмиттеру Ток отсечки коллектора Ток отсечки эмиттера Коэффициент передачи прямого тока Вперед.

NJL0281D : Транзистор ThermalTrak мощностью 180 Вт Семейство устройств ThermalTrak было разработано для устранения времени задержки теплового равновесия и подстройки смещения в приложениях для аудиоусилителей.Их также можно использовать в других приложениях в качестве устройств защиты кристаллов транзисторов. и применения. Диод с подогревом для устранения теплового разгона. Мгновенное тепловое смещение.

000-5421-30R : ТРАНСФОРМАТОР DATACOM ДЛЯ ETHERNET; 10 БАЗА-2/5 / Т; ПРИЛОЖЕНИЕ (И) LAN. s: Категория: Сигнал; Другие типы трансформаторов / применения: импульсные трансформаторы, DATACOM TRANSFORMER; Монтаж: чип-трансформатор; Рабочая температура: от -40 до 85 C (от -40 до 185 F).

BAP50LX : КРЕМНИЙ, ПИН-ДИОД.s: Упаковка: 1 X 0,60 мм, ВЫСОТА 0,40 мм, БЕСПРОВОДНИК, УЛЬТРАМАЛЛЫЙ, ПЛАСТИКОВЫЙ, SOT882T, 2 КОНТАКТА; Количество диодов: 1; PD: 150 милливатт.

ET10-103 : КОНДЕНСАТОР, ПЛЕНКА / ФОЛЬГА, ПОЛИЭФИР И ПОЛИПРОПИЛЕН, 1000 В, 0,01 мкФ, КРЕПЛЕНИЕ ДЛЯ ПРОХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ. s: Конфигурация / Форм-фактор: Конденсатор с выводами; Технология: пленочные конденсаторы; Приложения: общего назначения; Электростатические конденсаторы: полиэстер, полипропилен; Диапазон емкости: 0,0100 мкФ; Допуск емкости: 20 (+/-%); WVDC: 1000 вольт; Монтаж.

GF-071000JLF : РЕЗИСТОР, МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СТЕКЛО / ТОЛЩАЯ ПЛЕНКА, 0,5 Вт, 5%, 100 ppm, 100 Ом, КРЕПЛЕНИЕ ДЛЯ ПРОХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ. s: Категория / Применение: Общее использование; Технология / конструкция: толстая пленка (чип); Монтаж / упаковка: сквозное отверстие, осевые выводы, осевые выводы, соответствие требованиям ROHS; Диапазон сопротивления: 100 Ом; Допуск: 5 +/-%; Температурный коэффициент: 100 ± ppm / ° C; Оценка питания:.

PUMD20 / T1 : 100 мА, 50 В, NPN и PNP, Si, МАЛЫЙ СИГНАЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР. s: Полярность: Дополнительная; Тип упаковки: ПЛАСТИК, SMD, SC-88, 6 PIN.

SR561K05DS : РЕЗИСТОР, ЗАВИСИМО ОТ НАПРЯЖЕНИЯ, 470 В, 25 Дж, КРЕПЛЕНИЕ ДЛЯ ПРОХОДНОГО ОТВЕРСТИЯ. s: Категория / Применение: Общее использование; Монтаж / упаковка: сквозное отверстие, радиальные выводы, радиальные выводы; Номинальная мощность: 0,1500 Вт (2,01E-4 л.с.); Рабочее напряжение постоянного тока: 470 вольт; Стандарты и сертификаты: RoHS.

WPYP10 : РЕЗИСТОР, ПРОВОЛОЧНЫЙ, 13 Вт, 1; 2; 5%, 100 ppm, 1 Ом — 120000 Ом, КРЕПЛЕНИЕ ШАССИ. s: Категория / Применение: Общее использование; Технология / конструкция: проволочная обмотка; Монтаж / Упаковка: шасси на болтах, СООТВЕТСТВИЕ ROHS; Рабочее напряжение постоянного тока: 940 вольт; Рабочая температура: от -55 до 200 C (от -67 до 392 F).

4.7: BJT-переключение и приложения драйвера

Как уже упоминалось, изменение \ (\ beta \) может вызвать изменения в токе коллектора. Это может вызвать проблемы с производительностью. Например, при включении светодиода это может привести к изменению яркости. Но что, если мы намеренно введем транзистор в насыщение? Насыщенность — это фиксированное значение. Он изначально стабилен, и \ (\ beta \) больше не имеет значения. Фактически, когда BJT насыщается, \ (\ beta \) вынужден упасть до любого значения, необходимого для создания \ (I_ {C (sat)} \).Нам просто нужно убедиться, что даже самый маленький \ (\ beta \) достаточно велик, чтобы вызвать насыщение.

4.7.1: Переключатель насыщения

Хорошим примером этого является схема драйвера насыщающего светодиода, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Начнем с того, что весь смысл драйвера заключается в том, чтобы разгрузить текущую нагрузку от предыдущей схемы. Например, мы можем захотеть зажечь светодиод на выходе логического элемента или микросхемы микроконтроллера. Проблема в том, что эти схемы могут обеспечивать, скажем, только 5 мА, когда нам может потребоваться более 10 мА для достижения желаемой яркости.Схема драйвера светодиода используется для преодоления этого ограничения.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Схема драйвера насыщающего светодиода (положительная логика). Примечание: отрицательная клемма VCC подключена к земле (не показано).

С драйвером логической схеме потребуется только ток базы, а не ток светодиода. Вот как это работает: если логическое входное напряжение равно нулю, базовый ток не будет. Это означает, что ток коллектора не будет и, следовательно, светодиод будет выключен.На данный момент BJT находится в отключенном состоянии. Напротив, когда логический уровень становится высоким, все логическое напряжение падает на \ (R_B \), за исключением \ (V_ {BE} \). Это создает \ (I_B \). При правильной конструкции этого тока будет достаточно, чтобы перевести BJT в состояние насыщения. BJT действует как переключатель, замыкая цепь между источником постоянного тока, светодиодом и токоограничивающим резистором \ (R_C \). Чтобы это работало надежно, мы должны убедиться, что отношение тока насыщения к току базы намного меньше, чем \ (\ beta \).Значение 10 или около того гарантирует жесткое насыщение.

Если мы хотим инвертировать логику, то есть, чтобы низкий логический уровень включал светодиод, а высокий — выключал, мы можем добиться этого с помощью версии схемы PNP, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2 } \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Схема драйвера насыщающего светодиода (отрицательная логика).

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Определите ток включения светодиода для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Предположим, что логическое «включено» напряжение составляет 5 вольт, \ (V_ {LED} = 1.8 \) вольт и \ (V_ {CE (sat)} = 0 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Сначала найдите базовый ток.

\ [I_B = \ frac {V_ {логика} -V_ {BE}} {R_B} \ nonumber \]

\ [I_B = \ frac {5 V −0,7 V} {4,7 k \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_B = 915 \ mu A \ nonumber \]

Теперь найдите \ (I_ {C (sat)} \), убедившись, что BJT находится в насыщении. Это будет ток светодиода.

\ [I_ {C (sat)} = \ frac {V_ {CC} −V_ {LED}} {R_C} \ nonumber \]

\ [I_ {C (sat)} = \ frac {5 V − 1.8V} {330 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_ {C (sat)} = 9,7 мА \ nonumber \]

Соотношение этих двух токов чуть больше 10: 1. Это гарантирует жесткое насыщение.

Для насыщающих переключателей существует множество различных применений. Практически везде, где вы можете представить, что используется реле, вы можете рассмотреть транзисторный переключатель. Транзисторный переключатель имеет преимущества небольшого размера, отсутствия изнашиваемых движущихся частей и очень высокой скорости переключения.Реле имеют преимущество при очень высоких токах. На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан пример прямого привода двигателя с использованием переключателя BJT с насыщением.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Прямой привод двигателя постоянного тока.

Эта схема используется для управления скоростью двигателя постоянного тока с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией. Скорость двигателя будет зависеть от приложенного к нему среднего напряжения. Хитрость здесь в том, что вместо того, чтобы прикладывать к двигателю постоянное переменное напряжение, мы применяем серию импульсов различной ширины.Этих импульсов достаточно для насыщения BJT, заставляя его вести себя как переключатель. Эти импульсы настолько быстрые, что двигатель не запускается и не останавливается, а инерция поддерживает его работу. Вместо этого двигатель реагирует на усредненное значение этих импульсов. Если импульсы узкие и широко разнесены, среднее значение будет низким, а скорость двигателя будет низкой. Если импульсы широкие и близко расположены, среднее значение будет высоким, а скорость двигателя будет высокой.

Резистор и конденсатор в базе используются для формирования входящего импульса для повышения производительности.Диод в обмотке двигателя особенно важен. Он упоминается как демпферный диод ¹ . Без этого переключающий транзистор мог бы испытывать большие и разрушительные переходные выбросы. И вот почему: предположим, что BJT включен и работает полностью. Этот ток представляет собой тот же ток, протекающий через якорь двигателя, который представляет собой не более чем огромную катушку с проволокой. Это означает, что он имеет большую индуктивность. Когда мы выключаем транзистор, мы пытаемся отключить ток якоря, но ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно.В результате обмотка теперь генерирует большое обратное напряжение (также называемое «индуктивным толчком») непосредственно на BJT. То есть обмотка на мгновение появляется как источник высокого напряжения противоположной полярности, и через KVL этот потенциал передается от коллектора к эмиттеру. Это может повредить BJT. Демпферный диод эффективно замыкает обмотку при изменении полярности напряжения, предотвращая появление больших скачков напряжения. В остальное время диод смещен в обратном направлении и фактически отключен от цепи.

4.7.2: Драйвер ненасыщения

Также можно создать переключатель или драйвер, который не насыщает. Пример ненасыщающего драйвера светодиода показан на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Схема драйвера светодиода без насыщения (положительная логика).

Преимущество этой схемы в том, что она требует меньшего тока от логической схемы. К сожалению, он также демонстрирует более высокое рассеивание мощности транзистора и требует источника постоянного тока, который превышает логический уровень.Операция выглядит следующим образом: Как и в драйвере насыщения, если логический уровень равен нулю, в цепи база-эмиттер нет подъема, и ток коллектора также будет равен нулю. При высоком логическом напряжении через KVL вокруг контура база-эмиттер все входное логическое напряжение падает на \ (R_E \), за исключением \ (V_ {BE} \). Это создает \ (I_E \), который практически совпадает с \ (I_C \) (который есть \ (I_ {LED} \)).

Эта схема «программирует» ток эмиттера через резистор и логическое напряжение.Поэтому он фиксирован и стабилен. Этот процесс иногда называют начальной загрузкой. Можно сказать, что напряжение эмиттера «самонастраивается» в пределах 0,7 В от уровня логического входа, поддерживая его стабильным ² . В любом случае, если \ (\ beta \) изменяется, это вызовет обратное изменение \ (I_B \) без изменения \ (I_C \). Версия PNP с отрицательной логикой также возможна и оставлена ​​в качестве упражнения.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите ток включения светодиода для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).Предположим, что логическое «включено» напряжение составляет 5 вольт, \ (V_ {LED} = 1,8 \) вольт и \ (\ beta \) = 100.

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Схема для примера \ (\ PageIndex {2} \).

Мы можем найти \ (I_C \) напрямую, потому что \ (I_C \ приблизительно I_E \). Это будет ток светодиода.

\ [I_C = \ frac {V_ {логика} -V_ {BE}} {R_E} \ nonumber \]

\ [I_C = \ frac {5V − 0.7V} {270 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I_C = 15,9 мА \ nonumber \]

Обратите внимание, что \ (\ beta \) не использовался.Все, что он нам говорит, это то, что \ (I_B = 15.9 \) мА / 100, или 159 \ (\ mu \) A. Более высокое значение \ (\ beta \) просто привело бы к более низкому базовому току.

Для полноты картины отметим также, что

\ [V_ {CE} = V_ {CC} −V_ {LED} −V_ {RE} \ nonumber \]

\ [V_ {CE} = 10 В-1,8 В-4,3 В \ nonumber \]

\ [V_ {CE} = 3.9V \ nonumber \]

Очевидно, что если \ (V_ {CE} \) составляет 3,9 В, транзистор не находится в насыщении.

4.7.3: Последователь стабилитрона

В предыдущей главе мы рассмотрели метод регулирования выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя с фильтром с помощью стабилитрона.Недостатком этой конкретной схемы является то, что она не была особенно эффективной, поскольку потребляла значительный ток, даже когда потребность в токе нагрузки была незначительной. Используя концепцию привязки одного напряжения к другому, как в ненасыщающем переключателе, мы можем создать приятное улучшение — стабилитрон.

Последователь стабилитрона показан на рисунке \ (\ PageIndex {7} \). Входной сигнал — это положительный выпрямленный и отфильтрованный выходной сигнал источника питания переменного тока в постоянный.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Последователь стабилитрона.

Прежде всего следует отметить, что стабилитрон имеет обратное смещение через резистор \ (R \). То есть ток будет течь через \ (R \) в стабилитрон. Стабилитрон представляет фиксированный потенциал \ (V_Z \). Следовательно, разница между входным напряжением и \ (V_Z \) должна падать на \ (R \) и, соответственно, на \ (V_ {CB} \). Кроме того, окончательное выходное напряжение — это напряжение на эмиттере BJT, которое должно быть \ (V_Z — V_ {BE} \). Поскольку оба они являются фиксированными стабильными потенциалами, на выходе также должно быть фиксированное стабильное напряжение.Наконец, поскольку \ (V_ {CE} = V_ {CB} + V_ {BE} \), очевидно, что любое изменение между входным напряжением и желаемым выходом (например, из-за пульсаций) должно быть сброшено на BJT. .

Диодный ток в стабилитроне остается низким, поэтому его рассеиваемая мощность также невелика. Кроме того, потребление тока из входной цепи является прямым отражением потребности в токе нагрузки. Если ток нагрузки низкий, через транзистор и, в конечном итоге, через входную цепь будет протекать очень небольшой ток.Это делает систему более эффективной.

Список литературы

¹ Он также известен как коммутирующий диод, фиксирующий диод, обратный диод и многими другими названиями. Но, как сказал Шекспир, «демпфирующий диод под любым другим названием также будет ограничивать обратное напряжение». Или что-то подобное.

² Это отсылка к старой фразе «подтягивать себя за шнурки». Честно говоря, это высказывание никогда не имело смысла для этого автора, и все, что когда-либо происходило, когда я пытался это сделать, — это то, что мои руки устали.

.