Блок питания (БП) EMCc 180.015 предназначен для бесперебойного питания светодиодного светильника мощностью до 3 Вт. При пропадании сетевого напряжения ~220V питание светильника осуществляется от аккумулятора.
Источник питания от сети ~220V (лист 1 схемы электрической принципиальной БП EMCc 180.015), в т.ч. обеспечивающий зарядку аккумулятора, представляет собой обратноходовой импульсный преобразователь выполненный по схеме PFC – Power Factor Correction – корректор фактора мощности [1]. PFC принцип управления транзистором (VT5) коммутации первичной обмотки трансформатора (T1) заключается в следующем. Сигналом к отключению транзистора является достигнутый заданного уровня ток через транзистор и первичную обмотку трансформатора. После каждого цикла запуска транзистора схема ждёт пока успокоится трансформатор, закончатся все переходные процессы в нём, закончится наведение ЭДС — это является сигналом к включению транзистора. В БП EMCc 180.015 анализ состояния трансформатора T1 производится по наличию ЭДС самоиндукции в его первичной обмотке 1-2. Через цепочку R20-R22, C5 ЭДС самоиндукции подаётся в точку А схемы. Наличие в точке A напряжения более 3В отключает и удерживает отключенным транзистор VT5. Происходит это следующим образом: напряжение из т.А открывает транзистор VT4, тем самым замыкает затвор VT5 на общий провод; а также через R23 напряжение из т.А воздействует на исток VT5, обеспечивая некоторое незначительное отрицательное смещение затвор-исток VT5, что улучшает процесс запирания VT5, чем если только-лишь замыкать затвор VT5 на общий провод. Как только воздействие напряжения отключения VT5 из т.А на базу транзистора VT4 прекратилось, VT4 закрывается и на затвор VT5 поступает напряжение для его открытия с источника питания образованного делителем R5-R11, диодом VD2, конденсатором C4, стабилитроном VD4 в совокупности с переходом Б-Э VT2 или с переходом К-Э открытого транзистора VT1. Эффективное открытие VT5 подкрепляется напряжением положительной обратной связи (ПОС) с обмотки 3-4 трансформатора Т1. При наличии обмотки 3-4 ПОС диод VD8 не допускает, чтобы схема работала по принципу блокинг-генератора, а был принцип работы PFC. Т.е. диод VD8 препятствует удержанию транзистора VT5 в закрытом состоянии во время обратного хода за счёт обмотки 3-4 ПОС в цепи затвора VT5, как в блокинг-генераторе. Лишь в начальный момент времени во время начала обратного хода за счёт конденсатора С7 обмотка 3-4 ПОС способствует запиранию и удержанию транзистора VT5 в закрытом состоянии. Параллельно во время обратного хода начинает действовать ЭДС самоиндукции первичной обмотки 1-2 трансформатора Т1, напряжением в т.А обеспечивающая окончательное закрытие у удержание транзистора VT5 в закрытом состоянии; напряжением из т.А открытый транзистор VT4 отключает всякое воздействие обмотки 3-4 ПОС на затвор VT5 — удержание VT5 в закрытом состоянии осуществляется исключительно за счёт ЭДС самоиндукции. Впрочем, С7 довольно большой ёмкости, и возможно кто дольше удержит: ЭДС самоиндукции или обмотка затвора VT5 (обмотка 3-4 трансформатора Т1).
Процесс закрытия транзистора VT5 инициируется напряжением с резистора R24, являющимся датчиком тока, когда ток через VT5 – ток накачки первичной обмотки трансформатора Т1 – достигнет заданной величины, определяемой резистором R24. Достигнуть этого тока схема способна в широком диапазоне питающих напряжений, от единиц до сотен Вольт. Поэтому конденсатор фильтра С2 может иметь малую ёмкость, главное чтобы его заряда хватило на 1 цикл преобразования. Как только VT5 закрылся, тут же возникает ЭДС самоиндукции первичной обмотки 1-2 трансформатора Т1, которая через цепь R20-R22, C5 удерживает транзистор VT5 в закрытом состоянии. Так информируется схема о нахождении трансформатора в возбужденном состоянии. После того как VT5 закрылся начинается обратный ход трансформатора Т1, запасенная в трансформаторе энергия передается во вторичные обмотки.
Помимо прекращения действия ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора, открытие транзистора VT5 возможно только при следующих дополнительных условиях, создаваемых схемой на транзисторах VT1 – VT3:
1. Защита затвора VT5 от пониженного напряжения питания. Транзистор VT3 закроется, и тем самым затвор VT5 будет отсоединён от общего провода — будет разрешена работа VT5 только когда напряжение питания, выделяемое на конденсаторе С4 и используемое для открытия VT5, достигнет требуемого уровня около 9В: пробьется стабилитрон VD4, и через него потечёт ток Б-Э VT2, откроется VT2 и тем закроет VT3, подсоединяющий на общий провод затвор VT5. Совместно с напряжением с конденсатора С4 дополнительно VT2 также открывается напряжением питания со вспомогательной питающей обмотки 3-5 трансформатора Т1, через R14 подаваемым на базу VT2. Т.е. когда работает преобразователь (наблюдается активность трансформатора), открывать транзистор VT5 может не только напряжение с конденсатора С4, но и с обмотки 3-4 ПОС трансформатора Т1, для чего через R14 и транзистор VT2 обеспечивается соответствующее дополнительное разрешение работы VT5;
2. Защита преобразователя от превышения питающего напряжения (например в случае ошибочного подключения не к 220V, а к 380V) реализована при помощи каскада на транзисторе VT1. В случае превышения напряжения пробивается стабилитрон VD3, открывается VT1. Открытый VT1 соединяет базу VT2 с общим проводом и тем закрывает VT2. Открывается VT3 и тем соединяет с общим проводом затвор VT5, запрещая работу VT5.
Итого в сравнении с блокинг-генератором схема имеет 2 принципиальных отличия, очевидно, призванных обеспечивать запуск коммутирующего транзистора VT5 (запуск цикла преобразования) при пониженном питающем напряжении для обеспечения PFC принципа работы схемы:
1. Удержание коммутирующего первичную обмотку трансформатора транзистора в закрытом состоянии во время обратного хода производится не обмоткой ПОС в цепи затвора транзистора, а за счёт ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора;
2. Открытие и удержание коммутирующего транзистора в открытом состоянии в т.ч. происходит за счёт энергии запасённой в конденсаторе С4.
Имеются в виду отличия от классической схемы блокинг-генератора. Вообще в сущности схема PFC – это развитый законченный по всем аспектам совершенный блокинг-генератор, в т.ч. способный работать в широком диапазоне питающих напряжений. Данная схема PFC от полной схемы PFC [1] отличается отсутствием управления током накачки первичной обмотки трансформатора, т.е. не регулируется порог срабатывания схемы на отключение VT5 от падения напряжения на резисторе датчика тока R24. Поэтому, если работать на изменяемую в широких пределах нагрузку, то данная схема PFC может быть только маломощной.
Обмотка 3-5 трансформатора Т1 вырабатывает вспомогательное напряжение питания, которое в т.ч. через диод VD7 используется для подачи в точку А схемы для закрытия VT5. В случае превышения этого напряжения некоторого уровня, задаваемого стабилитрон VD6, оно автоматически через пробивающийся при этом стабилитрон VD6 подаётся в т.А схемы. Иначе в т.А для закрытия VT5 это напряжение подаётся через оптрон U1 управления мощностью преобразования, управления величиной напряжения на вторичных обмотках трансформатора Т1. Посредством оптрона U1 управление преобразованием осуществляет PIC-микроконтроллер, каскад на транзисторе VT6 (лист 2 схемы электрической принципиальной БП EMCc 180.015). Информацию о напряжении на вторичных обмотках трансформатора Т1, оно же напряжение на аккумуляторе, микроконтроллер (CPU) получает с делителя R50-R51, подключаемого к обмотке 7-8 трансформатора Т1 через электронный коммутатор DA2. Информацию о токе заряда аккумулятора микроконтроллер получает с делителя R54-R55. Оценивая напряжение на аккумуляторе и ток через аккумулятор, микроконтроллер посредством оптрона U1 задаёт должный режим работы первичного преобразователя на транзисторе VT5. В т.ч. если имеет место режим стабилизации тока (напряжения на аккумуляторе недостаточно), то вторичный преобразователь, непосредственно питающий светодиоды, работать не будет, будет ждать, пока зарядится аккумулятор до достаточного уровня.
Непосредственно питающий светодиоды импульсный преобразователь является обратноходовым и полностью управляется микропроцессором (PIC-микроконтроллером). В обратноходовых блоках питания нагрузка питается от ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора. Эта ЭДС самоиндукции трансформируется во вторичные обмотки трансформатора, при этом во вторичных обмотках она уже называется ЭДС взаимоиндукции. В установившемся оптимальном рабочем режиме на коллекторе транзистора коммутации первичной обмотки трансформатора бросок ЭДС самоиндукции не возникает, вся энергия ЭДС самоиндукции первичной обмотки через трансформатор передаётся во вторичные обмотки и потребляется нагрузкой. Бросок ЭДС самоиндукции возникает в том случае, если в первичной обмотке и в трансформаторе во время прямого хода накопилось больше энергии, чем способна взять нагрузка во время обратного хода. Т.е. вспышка ЭДС самоиндукции возникает в переходные процессы работы преобразователя. Не менее эффективно, чем по оптронной обратной связи от нагрузки, состояние нагрузки можно оценивать по величине ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора, что реализовано в данной схеме. Управление преобразованием производит однокристальная микро-ЭВМ (микроконтроллер), настраиваясь на нагрузку путём минимизации ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора, а именно запасая во время прямого хода в трансформаторе ровно столько энергии, сколько способна потребить нагрузка во время обратного хода — оптимальным образом производится управлением моментом времени закрытия ключей VT7, VT8 коммутации первичной обмотки трансформатора Т2.
ЭДС самоиндукции через диод VD12 для оценки микроконтроллером запасается в конденсаторе С10. Заряд конденсатора С10 происходит через аккумулятор, так что имеет место быть рекуперация энергии ЭДС самоиндукции. Измерение величины ЭДС самоиндукции микроконтроллером (CPU) производится по выводу 12 с делителя напряжения R47, R48, подключаемого к конденсатору С10 через электронный коммутатор DA1.
Очевидно, электронные коммутаторы DA1, DA2 введены, чтобы микропроцессор (CPU – центральное процессорное устройство) смог себя защитить в случае превышения напряжений. Но по факту смысла в этом нет. Через резисторы R47-R49 критически большой для CPU ток не получится. Закрытие коммутатора DA2 лишит CPU питания, а значит всякой работы; после DA2 конденсаторов большой ёмкости для аварийного питания CPU не предусмотрено, лишь С17, С22, С23 сравнительно малой ёмкости (не электролитические). Впрочем, возможно ШИМ управление включением коммутаторов DA1, DA2 для питания CPU от повышенного напряжения: CPU подключением своего вывода 7 на общий провод отключает VT9, DA1, DA2, запрещает их включение от внешних условий, в частности от обмотки 7-8 трансформатора Т1; после чего включение VT9, DA1, DA2 способно производить исключительно CPU подачей импульсов на свой выход 10 для организации ШИМ – широтно-импульсной модуляции.
Открытие / закрытие коммутаторов DA1, DA2 производится посредством транзистора VT9. Изначально VT9 и DA1, DA2 открываются напряжением источника питания от ~220V, с обмотки 6-7 трансформатора Т1, подаваемым через VD10, R60, VD18.2. Т.е. ещё имеет место быть такая логика использования DA2, что без подачи ~220V устройство не включится. По выводу 7 CPU получает информацию о работе источника питания от ~220V (о работе импульсного преобразователя на VT5). Возможно повторное появление на этом входе напряжения является сигналом к отключению светильника. Итого, возможно подключённые непосредственно к устройству светодиоды работают только от аккумулятора в качестве аварийного освещения, а при наличии ~220V должен работать внешний драйвер и питаемые от него другие светодиоды. Внешний драйвер способен работать только при наличии ~220V, т.к. реле коммутации его включения К1 и К2 от аккумулятора не запитываются, питаются от обмотки 6-7 трансформатора Т1.
Информацию о токе через первичную обмотку трансформатора Т2 во время прямого хода CPU получает с измерителя тока, выполненного на ИМС DA4. Скорее всего DA4 – это операционный усилитель, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с нелинейным логарифмическим усилением.
Изначально при включении питания используя информацию о токе через первичную обмотку трансформатора Т2 и о величине ЭДС самоиндукции, CPU способен анализировать подключена ли к выходу БП нагрузка в виде цепочки последовательно включенных светодиодов. Если да, светодиоды подключены, то БП переходит в режим стабилизации тока через эти светодиоды. Если светодиоды не подключены, то делается вывод, что имеет место быть холостой ход или нагрузка будет подключена через внешний драйвер (Module LED driver). В этом случае БП переходит в режим стабилизации напряжения, обеспечивая на выходе напряжение около 100 В. При этом срабатывают реле К1, К2 включения внешнего драйвера светодиодов. Сперва срабатывает реле К1 подачи питания на внешний модуль; а затем с задержкой срабатывает реле К2 – сигнал к включению внешнего модуля. Если CPU принимает решение отключить внешний модуль (вывод 8 CPU), то отключение происходит в обратной последовательности: сперва обесточивается К2, затем К1. Такая последовательность задержек обеспечивается соответствующим включением диодов VD20, VD21 в RC-цепях R63-C26, R64-C27 задержек включения / отключения VT10, VT11 транзисторов коммутации реле К1, К2, соответственно. Реле К1, К2 питаются только от источника питания ~220V, от обмотки 6-7 трансформатора Т1, так что внешний модуль от аккумулятора работать не будет.
Обращает на себя внимание включение конденсатора С14. Его традиционное назначение гасить (снижать) ЭДС самоиндукции. В данной схеме С14 включён так, что образует с первичной обмоткой трансформатора Т2 резонансный колебательный контур на некоторой частоте, очевидно, что на рабочей частоте; и преобразователь работает в резонансном режиме, например, аналогично энергоэффективной индукционной печи. Это же касается первичного преобразователя PFC на транзисторе VT5 (лист 1 схемы): пока не затихнут колебания в контуре С6 - первичная обмотка (1-2) трансформатора Т1, транзистор VT5 не откроется для накачки контура энергией из-за цепи R20-R22 C5, подающей из колебательного контура напряжение в т.А схемы для удержания VT5 в закрытом состоянии. Скорее всего схема срабатывает в каждый период колебаний в контуре в момент перехода напряжения через ноль, должным образом накачивая контур энергией. PFC схема хорошо подходит для работы в резонансном режиме, т.к. она автоматически настраивается на обслуживаемую катушку индуктивности. В виду того, что катушка является первичной обмоткой силового трансформатора, её индуктивность сильно зависит от нагрузки во вторичных обмотках. Изменяемая таким образом резонансная частота колебательного контура, созданного для первичной обмотки трансформатора, не помеха работе схемы PFC.
Ссылки:
1. АРГОС – блоки питания светодиодов. — Яндекс.Дзен, статья на канале «Ремонтнику промэлектроники», 04.07.2021
Илья Янушкевич
FT9151@gmail.com
Минск, Белоруссия
