В статье рассказано как в импульсном источнике питания на микросхеме TOP22x (221 – 227) можно сделать плавный пуск и ограничение по току.

     В линейку микросхем TOP22x предназначенных для построения обратноходовых импульсных преобразователей напряжения входят следующие микросхемы TOP221Y, TOP221P, TOP222Y, TOP222P, TOP223Y, TOP223P, TOP224Y, TOP224P, TOP225Y, TOP226Y, TOP227Y.

     На этих микросхемах можно построить достаточно простые и не дорогие источники питания (далее ИП). В тоже время они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками. Малый коэффициент пульсаций, высокая стабильность выходного напряжения, работа в широком диапазоне температур.

     Есть только один недостаток, в этих микросхемах нет внутренней функции ограничения по току.

     В микросхемах серии TOP22x защита от перегрузки работает следующим образом.

     Если ток нагрузки превышает некоторое пороговое значение или на выходе источника возникает короткое замыкание (КЗ) то ИП начинает “тикать”. То есть микросхема на некоторое время выключает источник. Затем включает проверяя на отсутствие КЗ или перегруза. Если КЗ или перегрузка не устранены, то снова выключает. Так до тех пор, пока неисправность в нагрузке не будет устранена.

     Однажды меня попросили попробовать решить одну проблему.

     Заказчик заказал партию ИП для питания своих устройств со следующими параметрами: U = 140V, Iн = 170mA.

     Казалось бы, ничего сложного. Сделали на TOP223 или TOP224, сейчас уже не помню. Проблема возникла, когда заказчик подключил эти ИП к своим устройствам. Источники отказывались включаться, начинали “тикать”.

     Выяснилось, что у питаемых устройств на входе, по питанию, стоят конденсаторы ёмкостью 1000мкФ. ИП разряженный конденсатор при включении воспринимает как короткое замыкание. Требовалось как-то разрешить эту ситуацию. Причём создание других ИП на другой комплектации было самым нежелательным вариантом.

     Немного подумав добавил к схеме источника ещё четыре элемента организовав в нём плавный пуск и ограничение по току.

     Рассмотрим пример схемы ИП на микросхеме TOP22x, Рис. 1.

Рис. 1

     Конечно существуют и другие варианты. Данный вариант хорош тем что стабилизация выходного напряжения осуществляется микросхемой TL431 или её аналогом (DA3). Это обеспечивает очень высокий коэффициент стабилизации.

     Значение выходного напряжения (Uвых) зависит от соотношения величины сопротивлений резисторов R4, R5 и вычисляется по формуле:

     Uвых = (R4 / R5 +1) * 2,5

     Где 2,5 – величина опорного напряжения в вольтах для TL431.

     Из формулы видно, что чем меньше величина сопротивления R4, тем меньше выходное напряжение. Этим я и воспользовался. Добавил к схеме ещё четыре компонента, Рис. 2.

Рис. 2

      Время выхода на рабочий режим зависит от двух процессов.

     1. Плавный пуск.

     Здесь транзистор включен параллельно резистору R4. В начальный момент, при включении питания, конденсатор C8 полностью разряжен поэтому база транзистора фактически соединена с коллектором. Транзистор полностью открыт. На выходе источника напряжение чуть больше 2,5V. По мере заряда конденсатора транзистор плавно закрывается. ИП выходит в рабочий режим.

     2. Одновременно с этим свою лепту вносит ограничение по току.

     R6 выполняет роль датчика тока (ДТ) падение напряжения на нём зависит от величины тока в нагрузке. ДТ фактически включен между базой и эмиттером транзистора. Если напряжение на R6 достигает напряжения открытия транзистора, ~0,7V (начало заряда ёмкости в нагрузке), транзистор открывается. При этом ток на выходе перестаёт расти, а Uвых понижается.

      По мере заряда ёмкости, имеющейся в нагрузке величина тока через ДТ снижается, транзистор закрывается и источник выходит на рабочий режим.

     Допустим у нас выходное напряжение 140V, номинальный ток нагрузки 150mA.

     Рассчитаем величину сопротивления ДТ.

     Нужно принять пороговое значение тока несколько больше номинального, пусть будет 200mA. Тогда:

     R6 = 0.7 / 0.2 = 3,5 Ом.

     Расчёт очень приблизительный, на самом деле величина сопротивления зависит от характеристик транзистора и в реальности наверняка получится меньше расчётного. У меня расчёт выдал 2,8Ом, реально получилось 1,7Ом.

     Какой выбрать тип резистора?

     Здесь нужно учесть, что в случае короткого замыкания на выходе вся энергия, накопленная в конденсаторах C3, C6 будет выделена в виде тепла на ДТ. И этого тепла будет много. Энергия импульса зависит от ёмкости конденсатора и величины напряжения.

     Я использовал ЧИП резисторы и мне пришлось запаять параллельно четыре по 1Вт (2512). Стопочкой друг на друга. Выводные типа С2-33 перегрев выдерживают лучше.

     Транзистор нужно выбрать с Uк-э раза в 1,5 больше Uвых.

     Это касается и конденсатора.

     Транзистор — достаточно в корпусе SOT-23.

     С теми номиналами что указаны на схеме время выхода на рабочий режим составило 0,8 секунды. Этого хватило чтобы ёмкость нагрузки 1000мкф перестала восприниматься как короткое замыкание.

     Недостатки схемы.

     Тот, кто обладает достаточным опытом в проектировании ИП наверняка скажет, что это дополнение снизит КПД и коэффициент стабилизации источника.

     И будет совершенно прав.

     Но тут дело вот в чём. То насколько будут велики потери зависит от величины выходного напряжения. Можно произвести приблизительный расчёт этих потерь.

     Потери в КПД можно приблизительно оценить из отношения мощности выделяемой на ДТ к мощности на сопротивлении нагрузки.

     Pдт / Pнагр *100 = (Uдт * I) / (Uнагр * I) * 100 = Uдт / Uнагр * 100

     Так как ток через ДТ и нагрузку протекает один и тот же то его можно исключить из расчёта. Останутся только напряжения. Коэффициент 100 для пересчёта в проценты.

     Для приведённого выше примера:

     0,7 / 140 * 100 = 0,5%

     Т.е. при Uвых = 140V потери КПД — 0,5%.

     Грубо говоря, если у источника КПД был 97%, то после добавления этой схемы станет 96,5%.

     Коэффициент стабилизации ухудшается из-за того, что в этой схеме обратная связь по напряжению снимается с плюса C6. А на выход напряжение подаётся через ДТ. При изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения падение напряжения на ДТ увеличивается, напряжение на нагрузке соответственно уменьшается. Но эта дельта так же не превышает те же самые 0,7V. Приблизительный расчёт потерь в коэффициенте стабилизации будет тем же что и для КПД.

     В жизни всё будет выглядеть значительно лучше так как падение напряжения на ДТ на самом деле будет меньше, зависит от параметров транзистора.

     Если в ограничении по току нет необходимости, то ДТ можно исключить. В этом случае исчезнет режим ограничения по току, а вместе с ним исчезнут и потери. Останется только плавный пуск. Но в этом случае ёмкость конденсатора C8 нужно будет значительно увеличить.

     Если R6 полностью не исключать, а просто уменьшить его сопротивление, то его влияние на КПД и коэффициент стабилизации уменьшиться и ёмкость конденсатора C8 можно будет установить меньше чем если R6 совсем убрать.

     Примерно минимальное значение R6 можно рассчитать.

     R6 min = 0.7 / I max

     I max нужно выбрать несколько меньше тока при котором источник будет переходить в тикающий режим (зависит от конкретной схемы, нужно определить экспериментально).

     Примечание.

      То, что описано выше соответствует работе с подключенной нагрузкой.

     На холостом ходу источник довольно быстро выйдет в рабочий режим.

     Напряжение 0,7V в расчётах – это максимально возможное напряжение Uб-э кремниевого транзистора. В реальности оно несколько меньше. Поэтому на самом деле потери КПД будет меньше.