Схемотехника блоков питания персональных компьютеров

Пояснение работы бестранзисторной схемы с общим управлением

Схема работает следующим образом. Питание +12 В поступает на среднюю точку первичной обмотки (Ⅰ) трансформатора T1, а коллекторы встроенных в микросхему транзистров нагружены на одну из её полуобмоток Ⅰа и Ⅰб.

При открытии верхнего по схеме транзистора VT1, нарастающий ток протекает по цепи: плюс шины питания (+12 В) – средний отвод первичной обмотки (Ⅰ) – верхний отвод полуобмотки Ⅰа – коллектор транзистора VT1 (вывод 8 IC1) – эмиттер транзистора VT1 (вывод 9 IC1) – минус питания (GND).

В момент протекания тока через полуобмотку Ⅰа в сердечнике согласующего трансформатора T1 возникает магнитный поток, который приводит к появлению на вторичных обмотках (Ⅱ, Ⅲ) ЭДС индукции. Поскольку вторичные обмотки трансформатора имеют противоположную намотку, то импульсы ЭДС на их выводах будут иметь противоположную полярность. В связи с этим, один из импульсов откроет один из силовых транзисторов инвертора, а другой, наоборот, закроет.

Далее транзистор VT1 закрывается, что приводит к исчезновению ЭДС на вторичных обмотках и из-за этого ранее открытый силовой транзистор полумоста также закрывается.

Затем наступает так называемая "мёртвая зона" – время, когда оба транзистора закрыты. Оно необходимо для предотвращения протекания сквозного тока через силовые транзисторы инвертора.

После паузы открывается нижний по схеме транзистор VT2 и ток течёт по цепи: плюс шины питания (+12 В) – средний отвод первичной обмотки (Ⅰ) – нижний отвод полуобмотки Ⅰб – коллектор транзистора VT2 (вывод 11 IC1) – эмиттер транзистора VT2 (вывод 10 IC1) – минус питания (GND).

На этот раз полярность импульсов на вторичных обмотках (Ⅱ, Ⅲ) трансформатора T1 другая и в силовом каскаде инвертора открывается тот транзистор, который в предыдущем случае был закрыт. Таким образом при работе схемы транзисторы полумоста поочерёдно открываются и закрываются, оставаясь полностью закрытыми в короткий момент между переключениями.

Особенность данного варианта схемы в том, что за счёт использования двух полуобмоток (Ⅰа и Ⅰб) с равным числом витков удаётся получить знакопеременный магнитный поток в сердечнике, что исключает его насыщение. За счёт подачи питания в среднюю точку первичной обмотки трансформатора, токи в полуобмотках Ⅰа и Ⅰб протекают в разном направлении, что приводит к появлению переменного магнитного потока. В момент, когда оба встроенных в микросхему транзистора VT1 и VT2 закрыты в сердечнике магнитный поток равен нулю.

Объяснение работы схемы

Рассмотрим на примере верхней секции работу данного узла.

Когда транзистор VT1 открыт, ток течёт по пути: плюс «+» шины питания – средняя точка первичной обмотки трансформатора T1 – полуобмотка Ⅰа трансформатора T1 – коллектор VT1 (вывод 8 DA1) – эмиттер VT1 (вывод 9 DA1) – минусовая «-» шина питания (GND).

Данный режим работы плох тем, что через первичную полуобмотку (Ⅰа) во время каждого управляющего импульса протекает ток только в одном направлении.

В результате согласующий трансформатор работает с вынужденным подмагничиванием, поскольку через его первичную обмотку протекает ток с постоянной составляющей. Сердечник импульсного трансформатора входит в режим магнитного насыщения за несколько периодов работы инвертора – в сердечнике накапливается энергия и никуда не расходуется.

Если не предусмотреть защитных мер по принудительному размагничиванию сердечника, то это приведёт к уменьшению индуктивности его первичной обмотки и, как следствие, перегрузке транзисторов VT1 и VT2.

Через них начнёт протекать возрастающий ток, так как фактическое сопротивление нагрузки будет ограничено активным сопротивлением провода полуобмотки, сопротивлением перехода К-Э и внутренним сопротивлением источника питания. Транзисторы VT1 и VT2 начнут нагреваться, то есть работать в тяжёлом тепловом режиме. В конечном счёте они выйдут из строя, что будет равносильно порче микросхемы ШИМ-контроллера.

Для устранения подмагничивания используются диоды VD1 и VD2, подключенные ко второй секции первичной обмотки (Ⅰб) трансформатора T1 (аналогично для T2).

Размагничивание сердечников происходит следующим образом.

Когда транзистор VT1 закрывается, то через полуобмотку Ⅰа перестаёт течь ток. При этом на размагничивающей обмотке Ⅰб ЭДС индукции меняет полярность из-за изменения магнитного потока в сердечнике. В результате диод VD1 открывается и через полуобмотку Ⅰб начинает протекать ток, размагничивающий сердечник трансформатора T1 по цепи: средний вывод трансформатора T2 – плюс «+» шины питания – конденсатор C1 – минусовая «-» шина питания – анод диода VD1 – средний вывод трансформатора T1.

Во время этого цикла происходит возврат запасённой в магнитном поле сердечника энергии в источник – подзаряжается электролитический конденсатор C1 в цепи питания, а сердечник трансформатора T1 размагничивается.

Как работает схема

Схема представляет собой двухтактный трансформаторный предварительный усилитель мощности. В ней транзисторы VT3 и VT4 включены по схеме с общим эмиттером (ОЭ) и работают в ключевом режиме. Полуобмотки Ⅰа и Ⅰб согласующего трансформатора T1 являются их нагрузкой и подключены к коллекторам транзисторов. Резистор R5 является общей нагрузкой для транзисторов VT3 и VT4 и задаёт максимальный ток через них на уровне 20 миллиампер. Он служит для ограничения коллекторного тока при полном открытии транзисторов (в режиме насыщения).

Питающее напряжение на предварительный усилитель подаётся от плюсовой шины +26 В через резистор R5 и диод VD3 в среднюю точку первичной обмотки (Ⅰ) согласующего трансформатора T1 аналогично тому, как это делается в бестранзисторной схеме с общим управлением (см. рис. №1).

Через общую шину питания согласующий каскад может влиять на работу управляющей микросхемы ШИМ-контроллера. Диод VD3 устраняет это влияние, выполняя функцию развязки по питанию.

В рабочем режиме на транзисторы VT3 и VT4 поступают прямоугольные импульсы с выводов 8 и 11 управляющей микросхемы ШИМ-контроллера TL494. Управляющие сигналы – последовательности прямоугольных импульсов положительной полярности, поступающие на базы транзисторов VT3 и VT4, имеют отрицательный передний фронт и сдвиг фаз относительно друг друга на полпериода.

Поскольку внутренние транзисторы VT1 и VT2 микросхемы ШИМ-контроллера IC1 включены по схеме с общим эмиттером, то при их открывании они подключают базы транзисторов VT3 и VT4 к минусовой шине питания. А, поскольку, VT3 и VT4 имеют структуру N-P-N, то они закрываются.

Поэтому в рабочем режиме транзисторы VT3 и VT4 работают попеременно: при поступлении управляющего импульса один транзистор закрывается, а второй остаётся открытым.

В промежутках между управляющими импульсами (во время так называемой «мёртвой зоны»), когда транзисторы VT1 и VT2 микросхемы IC1 полностью закрыты, транзисторы VT3 и VT4 оказываются в открытом состоянии. При этом, как уже упоминалось, ток через них ограничивается резистором R5 и не превышает допустимого значения.

Несмотря на одновременную проводимость транзисторов VT3 и VT4, передача энергии через согласующий трансформатор T1 в этот момент отсутствует, поскольку ток протекает одновременно через обе полуобмотки первичной обмотки (Ⅰа и Ⅰб). Создаваемые ими магнитные потоки направлены навстречу друг другу и практически компенсируются. В результате на вторичных обмотках (Ⅱ, Ⅲ) трансформатора управляющее напряжение не формируется.

Такой режим работы является штатным и используется для обеспечения паузы между переключениями силовых транзисторов инвертора, что предотвращает возникновение сквозного тока в выходном каскаде.

Форсированное запирание транзисторов

Цепь из двух последовательно включенных диодов VD1, VD2 и электролитического конденсатора C1 предназначена для ускорения закрытия транзисторов VT3 и VT4, благодаря чему фронты их коллекторных импульсов получаются крутыми.

За счёт данной цепи на эмиттерах VT3 и VT4 формируется напряжение около +1,6 В. В момент, когда на базе закрываемого транзистора присутствует выходной импульс микросхемы ШИМ-контроллера, напряжение на его базе составляет около 0,6 В. Поскольку за счёт цепи из VD1, VD2 и C1 на эмиттере постоянно присутствует напряжение в +1,6 В, то на момент действия выходного импульса микросхемы к управляющему переходу база-эмиттер транзистора будет приложено запирающее напряжение величиной около 1 вольта.

Такой режим называется активным (принудительным) запиранием за счёт обратного смещения перехода база–эмиттер.

Как видим, особенность этого варианта схемы – это наличие дополнительных транзисторов и эмиттерной цепи смещения. Их основная задача заключается в том, чтобы сформировать крутые фронты управляющих импульсов, которые необходимы для ускоренного закрытия силовых транзисторов в каскаде инвертора.

В качестве транзисторов VT3, VT4 данного варианта схемы обычно применяются маломощные биполярные транзисторы 2SC945.