фиг. 1
Принцип на работа
Работата на преобразувателя почива на т. нар. противотактен принцип. Обобщената схема на такъв преобразувател е показана на фиг. 1. Мощните ключове са два и в алтернативни моменти от време се отваря или единият или другият ключ (но никога и двата едновременно), като по този начин магнитопровода на трансформатора се намагнитва в едната или в другата посока. За правилната работа на устройството е необходимо двете секции на първичната намотка да са абсолютно симетрични. Характерно за този принцип на работа, е че при изключване на мощните ключове поради самоиндукцията на трансформатора, върху ключовете се наблюдава пренапрежение, което е равно на удвоеното захранващо напрлежение на схемата. Токоизправителя поставен в изхода е двуполупериоден токоизправител със средна точка. Изборът на такава схема на токоизправител е обусловена от факта, че е необходимо сърцевината на трансформатора да се разтоварва симетрично от запасената в нея енергия.
Схема за управление
Като управляваща схема в устройството е използвана една от най-популярните интегрални схеми за управление на на импулсни стабилизатори TL494. Вътрешната архитектура на чипа е показана на фиг. 2.
фиг. 2
Схемата съдържа система за “мек” старт, задаващ генератор, източник на референтно напрежение +5V, два операционни усилвателя и изходно стъпало.Честотноопределящите елементи се свързват между маса и извод 5 и 6 на чипа. Към извод 4 се свързва верига от резистор и кондензатор, която осигурява плавният старт на чепа. Вътрешният източник на референтно напрежение +5V е с точност ±5% и осигурява максимален изходен ток 10mA. Двата операционни усилвателя могат да се ползват като усилватели на грешката и понасят входни напрежения от –0.3V до Vсс – 2V. В конкретният случай единият усилвател се ползва като усилвател на грешката, а другият в системата за защита от максимален ток.
Изходното стъпало на TL494 е изградено от два транзистора, които осигуряват максимален изходен ток 0.5А (всеки). Свързването на извод 13 (Output Control) към вътрешното референтно напрежение или към маса, определя режима на работа на схемата – съответно управление на еднотактни или противотактни преобразуватели. TL494 може да работи със захранващи напрежения между 7 и 40V, а работната честота трябва да е в обхвата между 1KHz и 200KHz.
Описание на схемата
Схемата няа захранването е построена по т. нар. противотактна схема (Push – Pull). Системата за управление е изградена на базата на интегралната схема за ключови захранвания TL494 (U1). Честотата на задаващият генератор е 40KHz и се определя от стойностите на елементите R10 и C8. Двата колектора на крайните транзистори на TL494 са свързани към +12V, а емитерите им през R3 и R4 са свързани на маса. Извод 13 е свързан с вътрешното референтно напрежение +5V (изв. 14), като по този начин е избран режим на работа на чипа подходящ за управление на противотактни стъпала. При него максималният коефициент на запълване на управляващите импулси на двата изхода (изв. 9 и 10) е 48%. На тези два извода има управляващи импулси с честота равна на половината от тази на задаващият генератор и едновременно с това разместени във времето на 180°.
Изходното напрежение, през делителя R12, RP1, R23 се подава на неинвертиращият вход (изв. 1 на TL494) на усилвателят на грешката на U1. Чрез делителят R5, R9 се създава “изкуствена” нулева точка на която стъпва R7. Напрежението в тази точка трябва да е около 1V. В схемата е въведена верига за “мек” старт, която облекчава режима на работа на ключовите елементи при пускане на преобразувателя. Същността на тази система се състои в това, че в началото управляващите импулси са с минимална ширина и достигат до своето установено положение след около една секунда. По този начин са избегнати опасните преходни процеси при началното пускане на преобразувателя. Веригата за “мек” старт е изградена от C1, VD5 и R8. При подаване на напрежение на TL494, С1 е разреден и извод 4 на U1 е свързан към +5V. По този начин ширината на управляващите импулси е минимална. Когато С1 започне да се зарежда през резистора R8 управляващите импулси достигат до своята зададена стойност. Диодът VD5 служи за бързо разреждане на кондензатора С1 при изключване на захранването.Извод 4 на U1 освен от системата за “мек” старт се ползва и от системата за защита от понижено захранващо напрежение. Тя е реализирана с R25, R21, R26, VD6 и VT7.Когато захранващото напрежение спадне под 10V, диодът VD6 се запушва, което води до запушване и на VT7, а това от своя страна води до повишаване на потенциала на изв. 4 на U1 при което се ограничава ширината на управляващите импулси. Светодиодът VD7 служи за индикация и светва когато захранващото напрежение спадне под 10V.
Елементите C11, C7, L1, C9, C3 и C4 са включени във веригата на захранването и образуват нискочестотен филтър. Групите VT1, VD2 и VT2, VD1 образуват вериги ускоряващи изключването на мощните транзистори. Те действат по следният начин: когато постъпи управляващ импулс с амплитуда +12V той отпушва шотки диода VD1 (VD2) и управляващият импулс постъпва на гейтовете на мощните транзистори.През това време транзистора VT2 (VT1) е запушен понеже напрежението на базата му е по–положително от това на емитера. След края на управляващият импулс диода VD1 (VD2) се запушва, а транзистора VT2 (VT1) се отпушва. При това положение той разрежда бързо останалите заредени гейтови капацитети на ключовите транзистори като по този начин създава условие за бързото запушване на транзисторите. За да се намалят преходните процеси при превключването на транзисторите последователно на гейтовите им са включени нискоомни ограничаващи резистори. Функцията на резисторите R19, R20 е да поддържат ключовите транзистори запушени през времето когато управляващата схема не е захранена. Ключът XT3 служи за включване на управляващата схема. RP2, R17, R18, R6, R2 оформят веригата на обратната връзка по ток. Чрез RP2 се настройва нивото на сработване на токовата защита на стабилизатора. Токовата защита се настройва в зависимост от тока във вторичната страна на трансформатора. R11 и C13 образуват демпферна група (Snubers), която намалява пулсациите върху мощните ключове породени от преходните процеси при превключване на транзисторите.L2, C5, C6 и C10 служат за филтрация на изправеното напрежение. Резисторът R22 разрежда изходните кондензатори и така осигурява минималният необходим товар за правилната работа на стабилизатора, когато работи в режим на празен ход.
Индуктивни елементи
Правилната работа на цялото устройство в голяма степен зависи от правилното проектиране и изпълнение на индуктивните елементи в схемата. Бобината L1 служи за филтриране на пулсациите в захранването. Тя е с индуктивност 13µH и е навита върху малък феритен пръстен тип Т – 22х14х10 (тороидът е оцветен в жълто и бяло). L1 се изработва като два проводника ПЕЛ-1 с дължина 50см се спаралелват и така се правят 15 намотки върху феритният пръстен. Индуктивността на тази намотка не е критична за работата на стабилизатора, но тя трябва да е така изпълнена, че падът на напрежение върху нея да е минимален. Това се налага от факта, че през L1 ще тече постоянен ток около 20А (при максимален товар).
Дроселът L2 е навит върху сърцевина тип “топфкерна” Р30Х19 с въздушна междина 2.3мм и Al=105nH. Намотката съдържа 28 намотки от проводник ПЕЛ-1. Индуктивността и е 90µH.
Избрана е сърцевина с голяма въздушна междина и нисък фактор на намагнитване , за да не се получава насищане на сърцевината, което от своя страна ще влоши работата на преобразувателя и ще увеличи загубите в нея.
Трансформаторът Т1 има две еднакви първични и две еднакви вторични намотки. Сърцевината на магнитопровода е топфкерна тип PM49X30 с въздушна междина и сечение 2.78см2 изработена е от материал N27 (Siemens). Двете секции на вторичната намотка се навиват най-отдолу на макарата и съдържат по 11 намотки от проводник ПЕЛ–1. Проводниците за двете вторични намотки се поставят един до друг и така се правят 11 намотки. Необходимите връзки за извеждане на средната точка се правят извън макарата. Необходимо е да се съедини началото на едната намотка с края на другата. Двете секции на първичната намотка се събират на два реда. Между тях може да не се поставя изолация тъй-като напрежението в двата края на намотките е ниско. Индуктивността на всяка една от вторичните намотки е 150µH.
Между първичната и вторичната намотка се поставя слой изолационен картон.
Първичната намотка се навива най-отгоре за да се създадат по-добри условия за нейното охлаждане (понеже през нея тече голям импулсен ток). Двете секции на първичната намотка са идентични и съдържат по 3 навивки. Необходимо е да се вземат специални мерки за да се постигне абсолютна идентичност на двете секции. Това се постига като 4 проводника ПЕЛ-1 се усучат заедно и се правят 3 навивки върху макарата, след това изводите се разделят и се спаралелват два по два. Следващата стъпка е да се изведе средната точка, за целта началото на едната секция се свързва с края на другата.
Индуктивността на всяка една от секцийте на първичната намотка е 12µH.
Конструкция
Печатната платка е двуслойна и графичният и оригинал е показан на фиг. 3 и фиг. 4, а разположението на елементите на фиг. 5. Крайните транзистори VТ3, VТ4, VТ5 и VТ6 се монтират на общ радиатор като под всеки транзистор се поставя изолационна подложка. Вместо посочените транзистори могат да се ползват IRFZ44, като замяната им не се отразява върху работата на схемата. Диодите поставени в изходният токоизправител също могат да се заменят с други подобни бързи или шотки диоди с подобни параметри (100V, 10А).В опитният образец те не са поставени на радиатор, но ако се заменят и се наложи допълнително охлаждане, на платката е предвидено достатъчно свободно пространство около диодите където той може да се монтира.
В системата за управление вместо шотки диодите 1N5819 (VD3, VD4) със същият успех могат да се ползват импулсните диоди 1N4148. Замяната на тези елементи ще доведе до незначително увеличаване на времето за включване на крайните транзистори, което не се отразява на работоспособнстта на схемата.
Всички използвани неполярни кондензатори в схемата трябва да са безиндуктивни. Поради много големият ток (20А) , който тече в първичната верига захранващите проводници трябва да са с достатъчно голямо сечение, за да няма излишен пад на напрежение в тях. Подходящи за целта са медни проводници със сечение около 4mm² . Същото условие е валидно и за проводниците свързани към изходните клеми на преобразувателя. За предпазване от авариини ситуации е желателно последователно на положителният полюс на захранването да се постави предпазител 35А. Препоръчително е той да се монтира колкото е възможно по-близо до източника (акумулатора).
Ако преобразувателят се ползва за по-малки изходни мощности (до 100W) вместо по два транзистора в рамо може да се постави само по един транзистор в рамо.Важно достойнство на схемата е, че тя не е чувствителна към голиманата на входният (L1) и изходният (L2) дросел. Бяха направени опити при, които схемата успешно работи и с индуктивност на изходният дросел от 10µH, но в този случай шумът насложен върху изходното напрежение е по-голям. Намалявянето стойността на входният дросел ще доведе до увеличаване на паразитният шум, който прониква навън през захранващите проводници. От друга страна дължината на проводника, с който е навита тази индуктивност трябва да е колкото се може по-малка. По този начин омическото съпротивление на L2 ще е минимално, а от там и падът на напрежение в нея по-малък.
Оживяване и настройка
Печатната платка се насища като се поставят всички елементи с изключение на на транзисторите VТ3, VТ4, VТ5, VТ6 и интегралната схема U1. На клемите ХТ2 се подава захранващо напрежение 12V и с мултиметър се проверява дали то се появява на местата където трябва да се свържат крайните транзистори. Затваря се ключът ХТ1 и с волтметър се проверява дали напрежението +12V присъства на извод 12 на U1. Ако горните две условия са изпълнени започваме да намаляваме захранващото напрежение и наблюдаваме при какво напрежение светодиодът VD7 ще светне. Това трябва да стане при напрежение по-малко от 9.4V. Светенето на VD7 е знак, че се е задействала системата за защита от понижено входно напрежение.
Следващата стъпка е да изключим захранващото напрежение и да поставим U1 на мястото и. Подаваме +12V на ХТ2, затваряме ключа ХТ1 и с осцилоскоп в местата където се свързват гейтовете на мощните транзистори трябва да наблюдаваме правоъгълни поредици с коефициент на запълване 48%. При намаляване на захранващото напрежение под 9.4V трябва да се вижда как ширината на управляващите импулси се намалява.Ако всички описани до тук изпитания са направени и схемата работи без проблеми, можем да монтираме крайните транзистори на платката и на радиатора. Тример потенциометърът RP2 се поставя в положение при което плъзгачът му е свързан към маса, а плъзгачът на RP1 трябва да е в средно положение. Подаваме захранващо напрежение (за пореден път) и с волтметър измерваме напрежението в изхода на преобразувателя, то трябва да е около 24V, сега с отверка завъртаме плъзгача на RP2 докато настроим изходното напрежение до точно 24V. След като сме настроили изходното напрежение, свързваме в изхода товарен резистор с такава стойност, че през него да тече максималният ни необходим изходен ток. Започваме да въртим RP2 като следим изходното напрежение. Оставяме плъзгача на RP2 в такова положение при което изходното напрежение започва леко да намалява. Това е знак, че е задействана максималнотоковата защита. С това настройката на схемата е завършена и нашето устройство е готово за работа.
Практически резултати
На фиг. 6 е показана зависимостта на коефициента на полезно действие на преобразувателя във функция от изходният ток (респективно изходната мощност) .
фиг. 6
При изменение на товара от 0 до 250W изходното напрежение се променя с не повече от 0.6V.
Коефициента на полезно действие на схемата се движи в границите 73% до 84%.
Спадането на коефициента на полезно действие в областта на по-високите мощности се дължи на увеличаването на загубите в индуктивните елементи и на нарстване на загубите в мощните ключове, тъй като времената през който транзисторите са отпушени са много по-големи от времената през които транзисторите са в запушено състояние. Това от своя страна в комбинация със загубите от превклюване води до влошаване на режима на охлаждане на транзисторите.
фиг. 3 фиг. 4
фиг. 5