В современных силовых импульсных трансформаторах бытовой аппаратуры используют исключительно ферритовые магни-топроводы. Сведения о наиболее распространенных материалах, предназначенных для работы в сильных переменных магнитных полях, приведены в табл. П8 приложения.

Наиболее перспективным является феррит марки 2500 НМС-2, который применяется для ИИЭ повышенной мощности (200 - 500 Вт). Для ИИЭ меньшей мощности целесообразно применять ферриты более дешевых и менее дефицитных марок. Хорошими свойствами обладает материал 2500 НМС-1, лишь немного уступающий 2500 НМС-2. Характерное отличие этих ферритов от остальных, приведенных в табл. П8, - отрицательный температурный коэффициент удельных потерь, что является важным фактором повышения КПД трансформатора, температура перегрева которого в мощных ИИЭ может достигать 40 - 50° С.

Для ИИЭ бытовой РЭА предпочтительными являются Ш-об-разные магнитопроводы, поскольку трансформаторы в этом случае наиболее технологичны в изготовлении. В табл. П9 приложения приведены размеры Ш-образных магнитопроводов, выпускаемых промышленностью, с указанием ориентировочных габаритных мощностей.

Выбор магнитопровода трансформаторов производят на основе известного [1,7] соотношения с учетом особенностей преобразователей ИИЭ QcQo = Pra6*10-1/2fBJkM, где Qc - площадь сечения магнитопровода, см2; Q0 - площадь окна для размещения обмоток, см2; f - частота работы преобразователя кГц, В - рабочая магнитная индукция, Т; J - плотность тока, А1/мм2; км - коэффициент заполнения окна медью. Габаритная мощность Ргаб (в ваттах) ориентировочно равна сумме мощности в нагрузке РВых и потерь, возникающих в самом трансформаторе, дросселях, выпрямительных диодах и фильтрах, а также в помехоподавляющих цепочках, подключенных к обмоткам. Потери в силовых транзисторах, схеме управления, выпрямительной секции ИИЭ не учитываются при вычислении Ргаб. В качестве первого приближения для оценки потерь, входящих в Ргаб, можно принять следующие эмпирические значения, характерные для преобразователей, работающих на частотах 20 - 40 кГц:

Магнитопровод трансформатора.......0.05 РВЫХ

Обмотки трансформатора.........0,03 Рвых

Накопительный дроссель для схемы с «прямым» вкчючени-

ем выпрямителей.........0,05

Выпрямительные диоды и выходные фильтры . . . 0,12 РВых

Значение рабочей индукции выбирается в пределах (0,5 - 0,8) Вт, где Вт - индукция насыщения, чтобы избежать возможности насыщения магнитопровода. Для однотактных преобразователей следует выбирать меньшее значение рабочей индукции. Плотности тока выбирают в зависимости от соотношения £/Ргаб [7]. При £/Ргаб, равном 2, 10, 20, 60, 100 и 200 Гц/Вт, J соответственно берут 3,5; 4,5; 5; 5,5; 6 и 6,4 А/мм2.

Коэффициент заполнения окна медью обычно невелик: км = 0,3 - 0,35. Это объясняется необходимостью вводить надежную межслойную изоляцию, разделяющую первичную и вторичную обмотки, которая должна выдержать напряжение до 2 кВ.

Пример. Рассчитать трансформатор ИИЭ по схеме рис. 9,а для стереофонического усилителя на выходную мощность 2X20 Вт. Для такого усилителя выходная мощность ИИЭ должна быть в два раза выше удвоенной электрической мощности одного канала плюс мощность, потребляемая предварительным усилителем - корректором частотной характеристики. Принимая последнюю равной 5 Вт, находим -РВЫх = 85 Вт, а РГаб = 85(1-г-0,06--0,03-т-+0,05+0,12) = 106 Вт. Принимая f = 30 кГц, Б = 0,2 Т, J = 6 А/мм2, км = 0,35, находим Q0QC=10- 10-Y2-30-0,2-6-0,35=0,42 см4.

Обращаясь к табл. П9, выбираем магнитопровод Ш 7X7 из феррита 3000 НМС, имеющий Q0Qc = 0,56 см4. После выбора типа магнитопровод а по приближенным исходным данным целесообразно проверить значение

где di, wi - диаметр и число витков соответствующих обмоток трансформатора. Рассчитанное значение км должно быть меньше того, которое использовано при выборе магнитопровода. Для маг-нитопроводов, применяемых в однотактных преобразователях с

«обратным» включением выпрямителей, а также в накопительных дросселях преобразователей с «прямым» включением выпрямителей, необходимо рассчитать воздушный зазор А1 (в сантиметрах), предотвращающий насыщение:

al=*4nliv(qc В) Ю-4,

Значение L выбирают с использованием формул (3) или (7),

В - в пределах (0,5 - 0,8) Вт. Например, если L = 4 мГн и используется магнитопровод ШК13х13 из феррита 2500 НМС2, имеющий Qc=l,32 см2, Б = 0,8ВТО = 0,24 Т, а максимальный ток, протекающий через первичную обмотку, равен 3 А, то А1 = 4зх-4-32Х Х10-4/1,32* (0,24) 2 = 0,6 мм. Число витков первичной обмотки трансформатора на магнитопроводе с зазором рассчитывается по формуле:

1/ h>Qc v 2

где 1м = 60 мм - средняя длина силовой линии, мм; м6 - = 1,38*10-6 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость воздуха; м= 1700 - для материала 2500 НМС2. Тогда

да= i/~--- / 0,64--- .10-г= 116 витков,

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Из рассмотрения особенностей характеристик и параметров мощных высоковольтных транзисторов становится ясно, что даже кратковременный выход рабочей точки за пределы ОБР резко увеличивает вероятность отказа. Поэтому выходные каскады ИИЭ нуждаются в таких мерах защиты, которые обеспечивали бы как можно более быстрое отключение транзистора при возникновении аварийного режима.

Характерные причины возникновения аварийных режимов: «броски» сетевого напряжения, вызывающие увеличение импульса напряжения на коллекторе; короткое замыкание или обрыв в цепи нагрузки; лавинообразное нарастание тока коллектора из-за насыщения магнитопровода трансформатора (причинами насыщения могут быть изменения характеристики намагничивания магнитопровода из-за перегрева, случайное увеличение длительности импульса, открывающего транзистор, под действием помехи из сети и др.).

Надежная защита крайне важна в условиях серийного производства ИИЭ, когда со сборки на регулировку могут поступать блоки с ошибками в монтаже, с регулировочными органами, находящимися в случайном, не оптимальном положении. Устройство защиты позволяет сократить число вышедших из строя дорогостоящих выходных транзисторов.

Идеальное устройство защиты должно работать по следующему алгоритму: обнаружение аварийного режима на начальных стадиях его развития; как можно более быстрое отключение силовых транзисторов преобразователя; выдержка в отключенном состоянии в течение некоторого времени (сотни миллисекунд); повторное включение преобразователя, причем с плавным нарастанием выходной мощности; повторение циклов выключения - включения в течение некоторого времени (секунды), если аварийный режим не самоустраняется; окончательное отключение ИИЭ от сети (с помощью плавкого предохранителя, реле) после повторения нескольких циклов выключения - включения.

В практических блоках ИИЭ для бытовой аппаратуры в силу требования низкой стоимости этот алгоритм выполняется, как правило, лишь частично. Для обнаружения возникающего аварийного режима ИИЭ должен содержать дополнительные элементы - датчики напряжения на коллекторе и тока через транзистор (датчики перегрузки).

Для однотактных преобразователей меры защиты проще и эффективнее, так как в них приходится выключать лишь один мощный силовой транзистор. Независимо от вида датчиков перегрузки, главный принцип защиты остается неизменным и заключается в подаче на базу выходного транзистора запирающего напряжения в период работы преобразователя, следующий непосредственно за периодом, во время которого перегрузка обнаружена. Наиболее типичным является запуск выходного каскада от предварительного импульсного усилителя с трансформатором (рис. 17,а). На этом рисунке изображен однотактный преобразователь с обратным включением выпрямителя в момент, когда происходит пробой конденсатора выходного фильтра и ток транзистора благодаря этому увеличивается. Перегрузка по току, обнаруживаемая с помощью датчика - резистора R1, включенного в цепь коллекторного тока, вызывает срабатывание схемы управления, которая отпирает транзистор VT1. Благодаря противофазной работе транзисторов VT1 и VT2 напряжение на базе VT2 сразу после срабатывания устройства защиты становится отрицательным и затем достигает нулевого значения.

Следует обратить внимание на необходимость отпирания VTI в момент перегрузки: если бы VT1 запирался, то на базе VT2 продолжало бы действовать положительное напряжение (штриховая линия эпюры UE3 на рис. 17,6). Стационарный электрический режим транзистора выходного каскада преобразователя должен целиком располагаться внутри динамической ОБР с запасом на начало аварийного режима, существующего к моменту срабатывания устройства защиты.

Включение резистора - датчика перегрузки по коллекторному току в эмиттерную цепь выходного транзистора не является оптимальным с точки зрения быстродействия защиты, хотя значительно упрощает ее. Этот вариант также неприемлем для двухтактных полумостовых схем. Поэтому часто в качестве датчиков перегрузки по току используют малогабаритные импульсные трансформаторы на кольцевых ферритовых

магнитопроводах с внешним диаметром 7 - 10 мм. Первичная обмотка, состоящая всего лишь из одного витка, включается в цепь протекания коллекторного тока или тока выпрямительных диодов наиболее мощного источника вторичного напряжения. Вторичная обмотка состоит из 30 - 40 витков и подключается через резистивный делитель напряжения к соответствующему входу схемы управления. В этом случае легко решается проблема гальванической развязки цепи датчика от сети.

Рис. 17. К пояснению принципов защиты транзистора однотактного преобразователя от перегрузки:

а - функциональная схема; б - временная, диаграмлма

В тех случаях, когда датчик контролирует импульсный ток выходного транзистора или выпрямительных диодов, срабатывание устройства защиты не может произойти раньше периода, следующего за периодом, в котором перегрузка обнаружена. Можно ускорить этот процесс, если в качестве датчика перегрузки использовать резисторы, включенные последовательно в цепь нагрузки (R2 на рис. 17,а). Здесь сигнал перегрузки может быть обработан в течение 2 - 3 мкс после того, как ток нагрузки достигнет критического значения. Если схема управления находится на «сетевой» стороне преобразователя, то датчик перегрузки может быть подключен к ней через миниатюрный импульсный трансформатор ТЗ и пороговый элемент - маломощный тиристор VD2 типов КУ101, КУ104, КУ110 (рис. 17,а).

Возможно также комбинированное включение нескольких датчиков перегрузки, объединяемых на входе порогового элемента с помощью диодных схем ИЛИ. Такое включение датчиков требуется, например, в мощных стереофонических усилителях, где для питания двухтактных выходных каскадов используется два одинаковых разнонолярных источника напряжения равной мощности.

Сигналы о перегрузках по напряжению обычно поступают на схему управления либо через резистивные делители напряжения, подключаемые к соответствующим узлам устройства (выход сетевого выпрямителя, шина питания схемы управления), либо через пиковые детекторы, подключаемые к коллектору выходного транзистора или к обмоткам трансформатора. Надо иметь в виду, что защита транзисторов, основанная на контроле перегрузок по напряжению, менее эффективна, чем защита по токовым перегрузкам, так как первопричиной возникновения критического импульса напряжения на коллекторе является большой ток перед выключением транзистора. В современных схемах управления, в которых используются сложные многофункциональные интегральные микросхемы (одна из них описана ниже), защита от перегрузок по напряжению выполняет лишь вспомогательную, предупреждающую роль. Некоторые практические схемы защиты приведены ниже.