Использование параллельного стабилизатора TL431 для ограничения уровня входного напряжения переменного тока

Большинство изолированных импульсных источников питания, в том числе, обратноходовых, прямоходовых и резонансных, должно надежно работать при входном напряжении от 90 до 260 В (здесь и далее, кроме случаев оговоренных особо, имеется виду эффективное значение переменного напряжения). В некоторых случаях они могут использоваться и для входного напряжения 400 В±10%, что при проектировании таких блоков питания приводит к необходимости использовать элементы с более высокими допустимыми рабочими напряжениями, следствием чего становится увеличение себестоимости изделия в целом. В таких случаях предпочтительнее использовать входные схемы ограничения напряжения, которые позволят увеличить допустимый уровень входного напряжения до 440 В, но без излишних затрат и риска повреждения компонентов блока питания.

Схема, приведенная на Рисунке 1, ограничивает или, вернее, фиксирует входное высокое напряжение на уровне, безопасном для работы мощного MOSFET блока питания, не превышающем 260 В с.к.з. В схеме используется MOSFET Q₁, работающий как переключатель на частоте 100 Гц, и микросхема параллельного стабилизатора IC₁ (TL431CZ), которая при помощи делителя напряжения R₂, R₄ устанавливает необходимый уровень фиксации высокого входного напряжения. Схема, с указанными на Рисунке 1 номиналами компонентов, ограничивает выходное напряжение постоянного тока на уровне, не превышающем 360 В, что соответствует входному напряжению переменного тока 260 В. При этом максимальное входное напряжение может достигать 440 В. Схема была протестирована на уровнях мощности от 5 до 10 Вт.

Рисунок 1.	Эта простая схема фиксирует входное напряжение переменного тока на уровне, не превышающем 260 В, безопасном для работы мощного MOSFET импульсного блока питания.

При входном напряжении менее 260 В напряжение в точке C не достигает 2.5 В, и микросхема IC₁ находится в выключенном состоянии, потребляя лишь минимальный катодный ток. Стабилитрон D₂ с напряжением пробоя, равным 15 В, устойчиво поддерживает транзистор Q₁ в открытом состоянии. Эта ситуация является нормальным режимом транзистора Q₁ для входного напряжения с уровнем ниже 260 В. Соответственно, при этих уровнях напряжения схема работает как обычный мостовой выпрямитель с емкостной нагрузкой в виде конденсатора С₃.

При входном напряжении 260 В и выше напряжение в точке C становится больше 2.5 В, и микросхема IC₁ включается, забирая на себя ток от стабилитрона D₂. Напряжение затвор-исток транзистора Q₁ падает примерно до 2 В, и он запирается. Теперь, даже если диоды моста открыты, ток для заряда конденсатора выпрямителя не поступает. Выпрямленное входное напряжение превысило напряжение на конденсаторе С₃, но поскольку транзистор Q₁ выключен, цикл заряда прерван, и зарядный ток отсутствует. Соответственно, из-за отсутствия тока заряда выходное напряжение постоянного тока на конденсаторе С₃ становится ограниченным.

При уменьшении входного выпрямленного напряжения, оно, в конечном счете, попадет в зону порогового уровня 2.5 В в точке С, и транзистор Q₁ снова откроется. Но ток через него, тем не менее, не потечет, так как диоды выпрямительного моста остаются обратносмещенными из-за того, что выпрямленное входное напряжение будет меньше, чем напряжение на конденсаторе C₃. Напряжение на конденсаторе постепенно уменьшается со скоростью, зависящей от потребляемого нагрузкой тока. В конце концов, напряжение на конденсаторе С₃ и выпрямленное входное напряжение пересекутся на уровне, при котором диоды выпрямительного моста окажутся прямосмещенными. В результате транзистор Q₁ опять откроется и начнет пропускать зарядный ток. Сформируется короткий интервал времени, в течение которого транзистор Q₁ и мост D₁ проводят электрический ток. Эти короткие заряжающие импульсы пополняют потери энергии, увеличивая напряжение на конденсаторе до уровня ограничения. Когда входное напряжение превысит 260 В, транзистор Q₁ снова выключится, и весь описанный выше процесс повторится снова.

Приведенное решение привлекательно тем, что на транзисторе Q₁ рассеивается очень небольшая мощность, так как за время каждого периода переключения MOSFET включается всего на 450 мкс, что делает его использование в предлагаемой высоковольтной ограничивающей схеме очень эффективным. В качестве ключа вы можете использовать MOSFET STP4NK50Z компании STMicroelectronics, поставляемый в корпусе TO-220, но если хотите сэкономить место на плате, можете взять транзистор в корпусе Dpak, поскольку рассеваемая на нем мощность невелика. Ток через транзистор Q₁ прерывается каждый раз, когда в течение периода 50/60 Гц выпрямительные диоды оказываются прямосмещенными. Следствием прерывания тока становится «звон» напряжения сток-исток ограничивающего транзистора. Для его подавления и обеспечения соответствия уровня излучаемых электромагнитных помех требованиям класса B стандарта EN 55022 (как по пиковому уровню, так и по среднеквадратичному значению), используется цепь из дросселей L₁ и L₂ индуктивностью 1 мГн, рассчитанных на рабочий ток 0.2 А. Конденсатор С₁ емкостью 220 нФ с рабочим напряжением 440 В переменного тока используется как простейший демпфирующий элемент для диодов выпрямительного моста D₁.

(Прим. переводчика: резистор R₁ – это и элемент фильтра и ограничитель пускового тока, его применение обязательно.)