О развязке питания с примерами / Habr

Когда я участвовал в проведении конкурса 7400, я понял, что многим из представленных логических схем для надежной работы не хватает простейших защитных элементов. Одним из самых часто встречающихся недостатков конструкции было отсутствие блокировочных емкостей. Позже, прочитав статью о законе Мёрфи, я решил немного написать о развязке и блокировочных конденсаторах.

Как человек, которого можно назвать старожилом в области электроники, я познакомился с проблемой отсутствия развязки на собственном опыте. Свою первую высокоскоростную схему я собрал, будучи стажером в крупной фирме по производству электроники. Та схема, цифровой частотомер, была собрана на логике семейства 74Fxx и работала на частоте 11 МГц (по тем временам это считалось очень много). Это была плата размером 23 × 16 см (Double Eurocard), содержащая около 40 микросхем, соединенных монтажом накруткой (wire wrap). Когда пришло время ее включать, я увидел, что схема не работает, как надо, а выдает полную ерунду.

Проверив несколько раз сборку, я рассказал о проблеме своему руководителю, а он взглянул на плату и сказал: «Не хватает блокировочных конденсаторов. Поставь их на питание около каждой микросхемы, тогда и поговорим.» Совершенно растерянный, я сделал, как было сказано, и — о чудо! — все сразу заработало. Почему, казалось бы, ни на что не влияющая емкость заставила схему работать? Мой руководитель рассказал мне о бросках тока при переключении, об индуктивности проводников и о развязке. Я признаю, что прошло несколько лет, прежде чем я действительно понял, что он тогда говорил, но урок был усвоен: всегда ставить конденсаторы на питание цифровых микросхем.

Термины «блокировочный конденсатор» и «развязка» — не случайные слова, а имеют в данном контексте вполне определенное значение:

развязка — действие, направленное на (частичное) отделение цепей питания микросхемы от общего источника питания;
блокировочный конденсатор — конденсатор, установленный таким образом, что он шунтирует питание микросхемы и действует как местный источник питания.

Почему это всё так важно? Взгляните, например, сюда:

Рисунок 1. Отсутствие блокировочноых конденсаторов.

Разве это похоже на цифровой сигнал? Такую ерунду вы получите без блокировочных конденсаторов.

Пожалуйста, обратите внимание, что тактовая частота не важна. Проблема заключается в восходящих и спадающих фронтах сигнала. Так, одни и те же соображения применимы для систем, работающих на частоте 1 Гц, 20 кГц или 50 МГц. Используемые частоты в примерах ниже выбраны такими, чтобы их было удобно наблюдать на осциллографе.

Следует отметить, что на высокой частоте сбой наступает быстрее, чем на низкой, за счет большего числа фронтов в единицу времени. Однако это не означает, что низкочастотные схемы будут работать надежно. Это далеко не так, они будут сбоить так же легко, согласно закону Мёрфи. Да, и кстати, вы подумали о ваших маленьких микроконтроллерах, работающих на частоте 16 МГц?

Чтобы увидеть, что происходит, нужно измерить токи, протекающие через схему. Вот простая экспериментальная установка, собранная для иллюстрации:

Рисунок 2. Подключение инвертора.

Рисунок 3. Измерительная схема.

Генератор импульсов подключен к инвертору 74HC04, нагруженному на емкость 10 пФ. Сигнал на выходе инвертора, TP1, показан на верхней осциллограмме. Источник питания подключен к выводам микросхемы 7 и 14. В разрыв земляного проводника включен токоизмерительный резистор 10 Ом.

Напряжение в точке TP2 пропорционально потребляемому микросхемой току и отображается на нижней осциллограмме. Блокировочный конденсатор может быть подключен или отключен при необходимости. Щупы осциллографа снабжены делителями 1:10, так что масштаб осциллограммы по вертикали нужно умножить на 10. Все неиспользуемые входы 74HC04 заземлены. Установка выглядит так:

Рисунок 4. Установка, собраннная на макетной плате.

Рисунок 5 показывает проблемы, возникающие на высоких и низких частотах. Картинки слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Рисунок 5. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал).
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Некоторые наблюдения из рисунка 5:

• Измеренный ток — это только ток через ногу GND и блокировочный конденсатор. Он не в точности соответствует току, потребляемому микросхемой. Сложно измерять ток через ноги Vcc и GND одновременно (ограничения, накладываемые конструкцией осциллографа. — Прим. перев.). Однако, измерение тока через вывод GND достаточно для иллюстративных целей.
• При логической «1» на выходе наблюдается высокочастотный «звон». Его размах больше 2 В, и выбросы превосходят напряжение питания. Добавление блокировочного конденсатора снижает «звон» до практически несущественного уровня. Выброс все еще остается, но затухает гораздо быстрее
• Фронтам сигнала соответствуют выбросы («иголки») потребляемого тока. Добавление блокировочного конденсатора уменьшает эти выбросы и делает их симметричными при восходящем и спадающем фронтах. Диапазон выбросов от -22 до +45 мА без блокировочного конденсатора и от -32 до +36 мА — с ним.
• Симметричная форма тока при наличии блокировочного конденсатора говорит, что энергия запасается и извлекается обратно. Это очень важная особенность.
• Остаточный ВЧ звон во многом зависит от положения щупа осциллографа (не показано), что говорит о том, что схема содержит паразитные LC-элементы и радиочастотные антенны. Расположение на плате и взаимное положение соединительных проводов оказывает значительное влияние на амплитуду и частоту колебаний. Эти помехи не могут быть полностью устранены, но их можно сильно уменьшить, правильно разведя печатную плату.

Взглянем на фронты сигнала поближе:

Рисунок 6. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).

Сверху — задний (спадающий) фронт, снизу — передний (восходящий) фронт.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Микросхема 74HC04 выполнена по технологии КМОП. Это означает, что статический потребляемый ток близок к нулю. Ток потребляется только при переключениях из «0» в «1» и из «1» в «0». При переключении все нагрузочные и паразитные емкости должны быть перезаряжены. Для экспериментальной схемы нагрузка имеет емкость 10 пФ. Сюда нужно добавить емкости выводов и паразитные емкости, которые составляют примерно 5+2 пФ. Щуп осциллографа имеет емкость 10 пФ, которую тоже нужно учесть. Таким образом, суммарная емкость нагрузки на выходе инвертора примерно 27 пФ.

Выходную емкость нужно зарядить от 0 до 5 В примерно за 4,3 нс. Приняв для простоты, что зарядный ток постоянный, оценим его величину:
Q = I · t = C · U
I = (5 · 27 · 10^-12)/(4,3 · 10^-9) = 31,4 мА

Это означает, что через выход инвертора при каждом переключении втекает или вытекает огромный (по меркам КМОП. — Прим. перев.) ток. Откуда черпается энергия на это? Конечно, из источника питания. На рисунке 6 хорошо видно, что ток не возникает мгновенно, а нарастает до определенного уровня, а затем падает снова. Такое поведение явно указывает на наличие индуктивных элементов.

Лучше всего это видно на рисунке 6 справа, где ток достигает максимума в тот момент, когда выходное напряжение падает до нуля. Затем ток падает, вызывая провал выходного напряжения. Расчетный ток достаточно хорошо совпадает с измеренным, учитывая, что была проведена лишь простейшая оценка.

Еще раз внимательно взглянем на нижнюю половину рисунка 6. Слева выходное напряжение не доходит до 5 В в течение некоторого времени, а справа — достигает почти сразу. Без блокировочного конденсатора микросхеме не хватает мощности питания для формирования крутого фронта, и напряжение застревает на уровне 4 вольт. Блокировочный конденсатор выдает необходимую мгновенную мощность на некоторое время.

Блокировочный конденсатор примерно в 4000 раз больше, чем емкость нагрузки, значит, следует ожидать, что падение напряжения питания будет в 4000 раз ниже

(чем размах выходного напряжения. — Прим. перев.) — порядка 1-2 мВ.

При обратном переключении, из «1» в «0», как на рисунке 6 сверху, блокировочный конденсатор выступает в роли резервуара для принятия выделившейся энергии. Емкость нагрузки разряжается, и ток должен стечь на землю. Тем не менее, энергия не может быть мгновенно передана в источник питания, и блокировочный конденсатор будет временно хранить ее.

Основной источник питания не может обеспечить микросхему достаточной мощностью из-за индуктивности проводников. Каждый провод обладает паразитной индуктивностью, которая препятствует изменению тока. Из определения индуктивности:

U = L · dI / dt ⇒ dI = U · dt / L

Из этого уравнения видно, что изменение тока обратно пропорционально индуктивности. Иными словами, если возрастает индуктивность, становится труднее изменить ток за заданный промежуток времени, при прочих равных параметрах. Кроме того, изменение тока вызывает падение напряжения на индуктивности. Чем длиннее провод (или дорожка на плате) тем более высокую индуктивность он имеет, тем сильнее он сопротивляется быстрому изменению тока, и тем больше будет падение напряжения.

Блокировочный конденсатор является локальным накопителем энергии. Он всегда должен быть установлен как можно ближе к выводам питания микросхемы, чтобы свести к минимуму индуктивность проводников от конденсатора до микросхемы. Такая схема развязывает общие и локальные цепи питания.

Микросхема состоит из шести инверторов, поэтому схему можно изменить так, чтобы увеличить потребляемый ток:

Рисунок 7. Экспериментальная схема с дополнительной нагрузкой.

Рисунок 8. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал) для схемы с дополнительной нагрузкой.
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Обратите внимание на другой масштаб по оси Y для канала измерения тока, по сравнению с рисунками 5 и 6.

Ток через вывод GND теперь имеет выбросы около 70 мА при отсутствии блокировочного конденсатора. Если же последний установлен, снова наблюдаем симметричную форму выбросов амплитудой ±50 мА при восходящих и спадающих фронтах.

Обратите внимание, что фронт сигнала, как видно на рисунке 8 внизу слева, теперь гораздо более пологий. Микросхеме просто-напросто не хватает энергии для быстрого переключения. Установка блокировочного конденсатора (рисунок 8 справа) восстанавливает крутизну фронта до приемлемого уровня.

Рисунок 9. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).
Слева — задний (спадающий) фронт, справа — передний (восходящий) фронт.
Блокировочный конденсатор установлен.

Подробное рассмотрение фронтов сигнала выявляет увеличенный по продолжительности выброс тока, что вызвано большими потребностями в энергии. Нагрузка микросхемы примерно в шесть раз выше, чем раньше (первый инвертор нагружен на входные емкости остальных инверторов, которые составляют 5 раз по 5 пФ).

Это был лишь простой пример — микросхема из шести инверторов. А теперь экстраполируйте вышесказанное на сложную логическую схему, содержащую множество элементов и множество внутренних соединений. В ней очень много паразитных емкостей, которые должны перезаряжаться при каждом изменении входных сигналов. Наконец, представьте себе микроконтроллер, состоящий из многих тысяч вентилей.

Изложенные выше объяснения и иллюстрации должны дать ясное понимание того, что блокировочный конденсатор — важный элемент, выполняющий свою специальную функцию. Он запасает энергию источника питания локально, выдает её при необходимости, а также принимает избытки энергии.

Локальное хранилище энергии постоянно пополняется из основного источника питания через проводник Vcc. В то же время, избыточная энергия должна быть сброшена в источник питания через проводник GND. Сброс энергии в блокировочный конденсатор повышает напряжение на нем, и, по сути, кратковременно создает на схеме локальную область с другим потенциалом. Устранение этого дисбаланса является очень важным и осуществляется при помощи заземления. (Здесь под заземлением понимается не подключение к массе нашей планеты, а соединение с общим проводом источника питания. — Прим. перев.)

Печатные платы часто имеют отдельные заземленные слои, которые очень эффективны для соединения элементов с общим проводником источника питания. Хорошо проработанная разводка земли имеет первостепенное значение для сброса избыточной энергии. Но будьте осторожны, в сплошном заземленном слое могут возникать вихревые токи, а многочисленные связи с общим проводом — образовывать т.н. земляные петли.

Всегда будет хорошей идеей обратиться к знакомому разработчику со стажем. Большинство ошибок уже было кем-либо допушено раньше, и нет никакой необходимости повторять их до бесконечности.

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение Справочник

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение Справочник

Предисловие

Данная книга является исправленным и дополненным изданием справочника «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение» из серии «Интегральные микросхемы». Как и другие справочники этой серии, эта книга особое внимание уделяет вопросам практического применения описываемых микросхем, что и нашло отражение в названии справочника. В книге много новых для читателей микросхем, и акцент, сделанный на их применение, позволит сократить время, требуемое на разработку конечного оборудования. Представляется полезным раздел «Приложения», где приводятся три статьи, посвященные расчетам и выбору индуктивных компонентов источников питания. Особое место занимает раздел «Обзор зарубежных микросхем для импульсных источников питания.» В нем приводится информация по зарубежным фирмам, по каждой из которых в табличном виде дается полный перечень выпускаемых микросхем для импульсных источников питания, а также несколько приборов рассматриваются более подробное приведением краткого описания, цоколевки, структурной схемы и схем включения.

Статьи в книгах построены блоками, где наиболее полной является последняя статья по первоисточнику, т.к. он является прототипом/аналогом других схем. Связь между статьями блока обозначена в начале каждой «производной» статьи, где указан аналог или прототип данного прибора. Например, в приборе 1114ЕУ4 указано: «Аналог: TL494» — это значит, что он является первоисточником и в данном случае полезно, применяя 1114ЕУ4, прочитать статью про TL494.

Так как в общем случае степень совпадения между прибором и его производной может быть самой различной, часто возникает вопрос, что считать аналогом, а что прототипом. Мы определили, что микросхемы являются аналогами, если: производная микросхема имеет схожие параметры с исходной и они заменяют друг друга по выводам; микросхемы нельзя заменить по выводам, но внутренняя схема у них одинаковая. Мы считаем исходную микросхему прототипом, если в процессе конструирования производной микросхемы добавлены, отсутствуют или изменены какие-либо блоки, выводы и т. п., но связь в схемотехнике между микросхемами все равно прослеживается. Предупреждаем, из этого правила тоже бывают исключения. Фирма «ДОДЭКА» не считает возможным брать на себя ответственность в случае окончательного установления степени соответствия и оставляет последнее слово за читателем, который сам, использует конкретные приборы, должен решить, можно ли применить данную микросхему в качестве аналога в данной схеме или нет. Для решения этой задачи мы и приводим справочные данные на зарубежные приборы. Хроническое отставание в терминологии заставляет применять «негостированные» и, зачастую, англоязычные термины, требующие дополнительных пояснений, т. к. они не имеют буквального перевода на русский язык. Пояснения по этому вопросу Вы сможете найти в разделе «Термины и определения».

К весне 2000 года фирма «ДОДЭКА» планирует выпустить справочник по операционным усилителям и компараторам из серии «Интегральные микросхемы», куда войдут все отечественные приборы и их аналоги, а также полный перечень зарубежных ОУ и компараторов (более 4000 приборов) с указанием параметров и цоколевок.

Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки

Добавлено 27 сентября 2018 в 15:50

Сохранить или поделиться

Полное понимание конденсаторов развязки (блокировочных конденсаторов) поможет вам правильно включать эти критически важные компоненты в ваши проекты.

Конденсаторы, конденсаторы везде

Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.

Опасности переходного тока

Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.

Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.

Схема моделированияВременные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питания

Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).

Пульсации напряжения питания

Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!

На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.

Пульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источника

Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.

Пульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времени

Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.

Решение

Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.

Во-первых, короткая заметка о терминологии. Компоненты, обсуждаемые в данной статье, регулярно упоминаются и как «блокировочные конденсаторы», и как «конденсаторы развязки». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть схемы влияет на другую, а «блокирование» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли. Оба термина могут быть правильно использоваться, поскольку блокировочный конденсатор / конденсатор развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается термину «блокировочный конденсатор», чтобы избежать путаницы с последовательным конденсатором развязки, используемым для блокирования постоянной составляющей сигнала.

Заряд и разряд

Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.

Схема моделированияВременная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряжения

Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.

Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.

Стандартный подход

Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.

Классическая схема блокировки пульсаций напряжения питания

Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.

Если мы включим эти блокировочные конденсаторы в схему моделирования с 8-ю инверторами, рассмотренную выше, звон будет устранен, а величина возмущений напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ.

Временная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторов

Идеал и реальность

На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.

Результаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторов

Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.

Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.

Оригинал статьи:

Теги

Блокировочный конденсаторКонденсаторРазвязкаТипы конденсаторовЦелостность сигналов и питанияШумШум системы

Сохранить или поделиться

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.

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ширины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис. 5.1. 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, СЗ, VD5) подаются прямоугольные импульсы. Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ 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, СЗ) 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.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них. Импульсный источник питания (рис. 5.2) 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. 5.2. Схема импульсного источника питания.

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 (рис. 5.3) 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 5.3. 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. 5.3 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.

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. 5.4).

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, СЗ и R4, С4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио-дов 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. 5.4. Схема высоковольтного импульсного источника постоянного тока.

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.

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощности (рис. 5.5), 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. 5.5. 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 той же фирмы Power Integration показана на рис. 5.6. 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. 5.6. 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 5.1. 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

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффективный преобразователь напряжения (рис. 5.7) с выходной мощностью до 100 Вт.

Рис. 5.7, 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.

Разведение питания | Электроника для всех

При конструировании электронных устройств есть ряд особенностей которые явно не видны на схеме и не обнаруживаются в симуляторах, но оказывают активнейшее влияние на работу схемы, провоцирующее плавающие глюки и неполадки.

Хорошим источником приколов может служить земляная шина, будучи проложена без учета ряда особенностей.

Вообще, грамотная разводка это та еще черная магия. Толковых подробных мануалов по сему предмету я не встречал, а все что знаю — продукт собственных умозаключений и обрывки толковых мыслей с разных форумов. В общем, если есть что добавить — добавляйте.

Гладко было на бумаге, но забыли про овраги
Представим себе схемку, обычная такая схема. Питальник, хороший мощный. Цифровая управляющая логика — микроконтроллер, Большой П… в смысле потребитель — мощная силовая нагрузка. Жрущая, например, 10А. И датчик, который измеряет некоторые параметры Большого П и скармливает контроллеру. Как то так:

Будет работать? По идее должно. Но для того, чтобы оно работало надо это дело воплотить в печатной плате и изготовить. Разводка платы в первом приближении выглядеть может так:

В самом деле, чего мудрить то? Все просто и очевидно. На бумаге, ага. Прикол в том, что дорожки далеко не идеальные и у них тоже есть сопротивление. Небольшое, десятые доли Ома, но есть. Перерисуем первоначальную схему исходя из этого уточнения:

А теперь врубаем наш БОЛЬШОЙ ПЭ. И он вкачивает в нашу, нифига не идеальную, земляную дорогу свои 10А , щедро загребаемые им с 40 вольтового выхода. Мощно подтягивая ближний конец линии к своему питанию.

И на каждом участочке нашей земляной линии высаживается какое-то напряжение. Исходя из закона Ома — это будет I*R, при сопротивлении в 0.1 ом и токе в 10А мы имеем 1 вольт. Это на каждом кусочке! Т.е. чем дальше от нашей точки нулевого потенциала (минус питания, куда приходят все токи) тем больше нарастание падения.

И вот смотрим ситуацию — на нашей земляной линии образовались падения напряжения и чем дальше от БП, тем они больше суммируются, приближаясь к питанию силового элемента. Да так, что наш контроллер вообще обесточился — на его земляном входе оказалось 5 вольт, что дало разность потенциалов между его Vcc, запиатанной от +5 вольт, в 0. А будь ток не 10А, а в два раза больше, то там бы было 10 вольт (-5V разницы) и эффект был бы равносилен переполюсовке, что моментом отправит наш контроллер в ад.

При меньшем токе, мы бы получили снижение питания контроллера со всеми вытекающими последствиями, как то сбои, рассогласование уровней с датчиком, которого накрыло меньше, т.к. он был ближе к земле. Но тоже приятного мало.

Что делать?
Решение очевидное — в таких случаях надо просто разнести контура силовой и управляющей части, выделить под мощные токи отдельную дорогу, дабы не делать падение напряжения.

Усе, теперь эти 10А сразу попадут на БП, не создавая нам перекосов в управляющих цепях.

Мины рвутся по углам
С Большим ПЭ ситуация ясна и прозрачна, однако бывают и менее явные случаи. Что у нас может дать бесконечно большой ток на бесконечно малом промежутке времени? Правильно — заряжающийся кондер.
А поможет ему в этом заряженный кондер на выходе блока питания, одолжив ему энергии для диверсии — он, в отличии от Блока Питания, имеет предельно низкое внутреннее сопротивление и способен такой ток выдать.

Конечно длительность такого процесса будет микроскопической, в зависимости от размеров заряжаемой емкости. Но так и контроллер у нас далеко не тормоз — ему этого дрыга хватит вполне чтобы ребутнуться или зависнуть.

А если возникнет импульсный бросок напряжения между выводами кварца, то контроллер может посчитать это за ложный тактовый импульс. И если он будет короче предельно допустимого тактового импульса, то контроллер запросто может повиснуть или заглючить — какая либо из цепей не успеет правильно обработать и привет. И фиг ты такое отловишь, а без осциллографа просто труба.

В общем, критические земляные цепи, вроде кварцев, должны быть разведены тупиковыми ветвями, не допускающими сквозных токов.

Где прячутся конденсаторы
А они повсюду, где то больше, где то меньше, но емкости присутствуют повсеместно, начиная от емкостей между дорожками и кончая затворами полевых транзисторов. Переключение этих транзисторов это банальный перезаряд этих емкостей.

А учитывая, что все современные микроконтроллеры построены на сотнях тысяч полевых транзисторах и у каждого из которых есть своя затворная емкость. Она может и незначительная, но их там дофига, и тикают они синхронно.

Поэтому-то на шины питания микросхем рекомендуют ставить керамические кондеры, причем максимально близко к микрухам. Они служат для подпитки энергией при перезарядке множества паразитных емкостей транзисторов внутри контроллеров, чтобы эти броски тока не лезли наружу, не загаживали питание.
А шины питания и, особенно, земли стараются делать максимально толстыми — для снижения сопротивления, и стараются разводить их звездочкой. Дабы не допускать замкнутых контуров, чтобы токи разных потребителей, особенно мощных или с повышенным количеством перезаряжающихся емкостей, не шныряли по чужим землям.

Плюс не стоит выпускать из виду и такой момент как электромагнитные наводки. Мощная силовая дорога, идущая по плате круголями, может послужить зверской катушкой индуктивности и навести кучу мусора на информационные цепи. Пример я уже приводил, причем там была слаботочка.

В аналоговых цепях, особенно микровольтных и слаботочных, это все еще жестче. Т.к. там малейший цифровой мусор в шине питания/земли может быть соразмерен полезному сигналу, сводя на нет все попытки его обработать. Поэтому там цепи прячут под экранирующие колпаки — защита от электромагнитных наводок и размещают подальше от цифровых — защита от паразитных емкостей между цифровыми и аналоговыми сигналами.

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

• малый вес конструкции;
• небольшие размеры;
• большая мощность;
• высокий КПД;
• низкая себестоимость;
• высокая стабильность работы;
• широкий диапазон питающих напряжений;
• множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

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 вьюоковольтные 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.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

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/К561 ЛАТ) 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.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

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, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ 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, СЗ) 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, Сb. 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.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

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 DDI .1, DDI .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 VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 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 VT5 закрыт, транзи­стор VT6 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. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

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 см^2. 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 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. 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 мм^2, 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 S 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 фер-рорезонансный 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…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

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 VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя 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. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

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 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

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.

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, СЗ 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 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

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. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, 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 вьюоко-вольтную 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.

Импульсный источник питания с микросхемой

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 Гц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого тран­зистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и 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 (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.