- схему выпрямления напряжения сети;
- сглаживающий емкостной фильтр.
Переменное напряжение сети подается через выключатель сети, предохранитель (номиналом 5А), терморезистор (TR) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и помехопоглощающий фильтр на мостовую схему выпрямителя. Выпрямленное напряжение сети сглаживается конденсаторами С5, С6. На шине выпрямленного напряжения появляется постоянное напряжение +310В относительно общего провода первичной стороны.
Терморезистор предназначен для ограничения скачка зарядного тока через конденсаторы в момент включения ИБП. В холодном состоянии сопротивление TR составляет несколько Ом, ток сквозь диодный мост ограничивается безопасным уровнем. В результате протекания тока сквозь TR он нагревается и его сопротивление составляет доли Ом, что в дальнейшем не влияет на работу ИБП.
Сетевой плавкий предохранитель предназначен для защиты сети от перегрузок при возможных КЗ в первичной цепи ИБП, и защищает схему самого ИБП от внутренних перегрузок и КЗ.
Входной помехопоглощающий фильтр имеет свойство ликвидации помех в двух направлениях, то есть предотвращает проникание высокочастотных импульсных помех из сети в ИБП, и наоборот – из ИБП в сеть.
Параллельно конденсаторам С5, С6 включены высокоомные сопротивления R2, R3 номиналом 200 кОм, через которые С5, С6 разряжаются при выключении ИБП. Кроме этого эти сопротивления выравнивают напряжение на С5, С6 (для симметрии работы схемы).
3.2 Силовой каскад.
Силовой каскад построен по двухтактной полумостовой схеме. Транзисторы VT1, VT2 – ключевые силовые транзисторы, которые при работе БП отпираются по очереди. Управляющее напряжение, которое подается на базы этих транзисторов построено таким образом, чтобы всегда была “мертвая зона”, когда оба транзисторов закрыты. Этим предупреждаются сквозные токи через транзисторы VT1, VT2.
Электродвижущая сила (ЕДС) на вторичных обмотках управляющего трансформатора в первый момент после включения еще отсутствует. Поэтому, чтобы низкоомное сопротивление обмоток не шунтировало управляющие переходы база-эмиттер силовых ключей, приходится применять в схеме развязывающие диоды VD5, VD6.
Диоды VD7, VD8 предназначены для создания пути протекания тока рекуперации (частичное возвращение энергии, которая была накоплена в индуктивности рассеивания трансформатора источника питания), который протекает по цепи: T1-C7-C6-VD8-T1 для диода VD8 и T1-C7-C5-VD7-T1 для диода VD7.
Цепь из элементов C10, R10 включена параллельно первичной обмотке импульсного силового трансформатора, демпфирует паразитные высокочастотные колебания, которые возникают в паразитном колебательном контуре, который состоит из индуктивности рассеивания первичной обмотки Т1 и межвитковой емкости, в момент закрытия транзисторов VT1, VT2. При этом C10 увеличивает общую емкость паразитной цепи, понижая, таким образом, частоту паразитного колебательного процесса. R9 уменьшает добротность этого контура, что способствует быстрому затуханию колебаний.
Конденсатор C7, предотвращает протекание возможной постоянной составляющей тока через первичную обмотку импульсного высокочастотного трансформатора. Поэтому является элементом, который предотвращает подмагничивание сердечника трансформатора.
Конденсаторы C8, C9 выполняют функцию форсирующих емкостей и убыстряют процесс переключения силового транзистора. Это происходит следующим образом. При появлении отпирающего импульса на обмотке разряженный конденсатор С8 обеспечивает подачу в базу VT1 входного отпирающего тока с крутым фронтом, который превышает его установленное значение. Поэтому начальный импульс через С8, обеспечивает ускоренное отпирание VT1. Когда С8 зарядиться до уровня ЕДС, которая действует на обмотке управляющего трансформатора, ток через него перестанет протекать, и в дальнейшем базовый ток VT1 пойдет через VD5, R4, R8. При исчезновении ЕДС на обмотке управляющего трансформатора напряжение конденсатора С8 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT1 в запирающей полярности и, форсировано его закрывает, надежно поддерживая его в закрытом состоянии до конца “мертвой зоны”. Аналогично для конденсатора С9.
3.3 Выходные цепи.
Способ получения выходных напряжений одинаковый почти во всех схемах. Основной (общий) способ заключается в выпрямлении и сглаживании импульсных ЕДС с вторичных обмоток импульсного силового трансформатора. При этом выпрямление во всех двухтактных схемах осуществляется по двухполупериодной схеме со средней точкой. Этим обеспечивается симметричный режим перемагничивания сердечника импульсного трансформатора, так как через вторичные обмотки протекает только переменный ток и, соответственно, отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника, что неминуемо в однополупериодных схемах выпрямление, где ток протекает через вторичную обмотку трансформатора только в одном направлении.
Так как все схемы реализованы приблизительно одинаково, будет достаточно рассмотреть и описать работу одной схемы (+12В).
Когда сквозь первичную обмотку 1-2 силового трансформатора Т1 протекает линейно нарастающий ток, на вторичной обмотке 3-4 действует ЕДС постоянного уровня. Полярность ЕДС такая, что на выводе 3 присутствует позитивный потенциал ЕДС относительно корпуса. На выводе 4 этот потенциал будет негативным. Поэтому линейно нарастающий ток протекает по цепи: 3 T1-верхний диод в диодной сборке VD9 – обмотка W1 дроссель групповой стабилизации L5 – дроссель L6 – конденсатор С12 – корпус 7 Т1.
Нижний диод сборки на этом интервале закрыт негативным напряжением на аноде, и ток сквозь него не протекает.
Кроме подзарядки конденсатора С12 происходит передача энергии на выход канала (поддерживается ток нагрузки). На этом же интервале времени в сердечнике дросселей L5 и L6, накапливается магнитная энергия.
Дальше ток через первичную обмотку силового трансформатора прекращается как результат закрытия силового транзистора. ЕДС на вторичных обмотках исчезает. Продолжается “мертвая зона”. На этом интервале энергия, сбереженная в дросселях L5, L6 передается в конденсатор С12 и в нагрузку.
Этот ток - линейно спадающий во времени. Дальше открывается второй силовой транзистор и через первичную обмотку Т1 начинает протекать линейно нарастающий ток обратного направления. Поэтому полярность ЕДС на вторичных обмотках будет обратной: на выводе 4 позитивный, на выводе 3 негативный относительно корпуса. Поэтому на этом интервале проводником будет нижний диод в диодной сборке VD9, а ее верхний диод будет закрытым. Ток через обмотку W1, L5 и L6 опять будет линейно нарастающим и подзарядит конденсатор С12, и также будет поддерживать ток в нагрузке. Резистор R12 предназначен для быстрой разрядки конденсатора C12 и других вспомогательных емкостей после выключения ИБП для приведения всей схемы БП в первичное состояние.
Реализация канала в +3.3В кое-где отличается от реализации других каналов. Для получения напряжения в +3.3В используется обмотка на 5В, напряжение из которой преобразуется на микросхеме TL431C с навесными элементами: R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, VD14, C17, C18, VT3.
3.4 Стабилизация выходных напряжений ИБП.
Схема стабилизации выходных напряжений в ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматической регуляции. Эта петля включает в себя:
- схему управления;
- согласующий предусилительный каскад;
- управляющий трансформатор;
- силовой каскад;
- силовой импульсный трансформатор;
- выпрямляющий блок;
- дроссель межканальной связи;
- блок фильтров;
- делитель напряжения обратной связи;
- делитель опорного напряжения.
В составе схемы управления имеются следующие функциональные узлы:
- усилитель сигнала рассогласования с кругом коррекции;
- ШИМ – компаратор;
- генератор пилообразного напряжения;
- источник опорного стабилизированного напряжения.
В процессе работы усилитель сигнала рассогласования сравнивает входной сигнал делителя напряжения с опорным напряжением делителя. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор, который руководит оконечным каскадом усилителя мощности, в который, в свою очередь, подает модулируемый управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя через управляющий трансформатор Т2. Питание силового трансформатора осуществляется по безтрансформаторной схеме. Переменное напряжение сети выпрямляется сетевым выпрямителем и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и потом осуществляется усиление полученной разницы (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно–импульсный модулятор превращает аналоговый сигнал управления в широтно–модулируемый сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса.
Схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, который поступает из выхода усилителя сигнала рассогласования с пилообразным напряжением, которое получают из специального генератора.
Динамика процесса стабилизации следующая.
Пусть под действием какого-то дестабилизирующего фактора выходное напряжение в канале +5В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующий вход усилителя ошибки. Соответственно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. То есть увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертирования. Соответственно, больше чем раньше, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем раньше, на вторичных обмотках этого трансформатору будут действовать приведенные этим потоком ЕДС. Поэтому увеличивается постоянная составляющая, которая выделяется сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, то есть исходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.