На диодах мощных выпрямителей выделяется значительное количество тепла. Причина этого - неустранимое падение напряжения на р-n переходе выпрямительного диода, достигающее 0,5... 1 В. В предлагаемом устройстве применен синхронный выпрямитель, в котором диоды заменены полевыми транзисторами. Сопротивление их канала сток-исток в открытом состоянии всего несколько миллиом. Это значительно уменьшает падение напряжения и, следовательно, тепловыделение.
При использовании мощных полевых транзисторов в качестве управляемых вентилей в синхронном выпрямителе следует иметь в виду, что такие транзисторы содержат в своей структуре диод, подключенный между стоком и истоком в обратном направлении и обычно называемый защитным. Поэтому в выпрямителе полевые транзисторы включают инверсно. Пока канал транзистора закрыт, ток выпрямляет защитный диод, оставаясь закрытым при обратной для него полярности приложенного напряжения и открываясь при прямой. Чтобы устранить падение напряжения на открытом диоде, необходимо синхронно с ним открывать канал транзистора, подавая на затвор открывающие импульсы. В результате почти весь ток потечет через канал, сопротивление и падение напряжения на котором значительно меньше, чем у открытого диода.
Синхронный выпрямитель для успешной работы должен содержать устройство, следящее за полярностью приложенного к вентилям - полевым транзисторам напряжения и формирующего управляющие сигналы, своевременно открывающие и закрывающие их. Это особенно важно при работе на емкостную нагрузку или на нагрузку, обладающую собственной ЭДС (аккумуляторную батарею).
Рис. 1
На рис. 1 показана схема пускоза-рядного устройства на основе синхронного выпрямителя. Работает он следующим образом. Пусть на стоках параллельно соединенных транзисторов VT2 и VT4 действует положительная полуволна напряжения. Защитные диоды транзисторов при такой полярности напряжения закрыты.
Ограниченное диодом VD2 до+0,7 В, это напряжение поступит на инвертирующий вход компаратора DA1. В результате на инверсном "эмиттерном" выходе компаратора (выводе 1) уровень напряжения будет высоким. Поскольку триггер Шмитта, построенный на микросхеме таймера DA3, инвертирует этот уровень, напряжение между затворами и истоками транзисторов VT2 и VT4 близко к нулю, а сами транзисторы закрыты.
Во время отрицательной полуволны напряжения между стоками и истоками транзисторов VT2 и VT4 открываются защитные диоды этих транзисторов. Но поскольку напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 теперь меньше, чем на неинвертирующем, уровень на его выходе 1 станет низким, а на выходе микросхемы DA3 - высоким. Каналы сток-исток транзисторов VT2 и VT3 откроются, зашунтировав защитные диоды, и останутся в таком состоянии до смены полярности приложенного к ним напряжения.
Аналогичным образом происходит управление транзисторами VT3 и VT5 второго плеча двухполупериодного выпрямителя. Применение таймеров КР1006ВИ1 с выходным током до 200 мА в качестве драйверов обеспечивает быстрое переключение транзисторов VT2-VT5, что дополнительно снижает рассеиваемую на них мощность.
Конденсаторы С1, С2 устраняют высокочастотные пульсации напряжения, поступающего на входы компараторов DA1 и DA2, обеспечивая их переключение без "дребезга". Резисторы R8 и R9 - нагрузочные в цепях эмиттеров выходных транзисторов компараторов. Коллекторы этих транзисторов соединены с плюсом питания. При его включении цепь R10C4 устанавливает таймеры DA3 и DA4 в исходное состояние с низким уровнем на выходах. По мере зарядки конденсатора С4 напряжение на нем увеличивается и микросхемы начинают нормально работать.
Применение двух транзисторов в каждом плече выпрямителя позволяет довести ток нагрузки до 200 А, конечно, при достаточно мощном трансформаторе Т1. Этого вполне достаточно, чтобы "помочь" стартеру почти любого легкового автомобиля завести двигатель, если аккумуляторная батарея заряжена недостаточно. Напряжение на обмотках II и III трансформатора под нагрузкой должно быть около 10 В, а габаритная мощность - не менее 800 В-А.
Для зарядки аккумуляторную батарею подключают к зажимам "U^p" и "Общий". Компаратор DA5 сравнивает ее напряжение с образцовым. Порог сравнения устанавливают подстроечным резистором R4. Пока напряжение батареи ниже заданного, уровень на выходе 7 компаратора DA5 остается низким, а транзистор VT1 открыт. Синхронный выпрямитель заряжает батарею.
Поскольку напряжение на выходе синхронного выпрямителя пульсирующее, по мере зарядки бвтареи оно все большую часть полупериода превышает образцовое. Уровень напряжения на выходе компаратора в этих интервалах времени становится высоким, а транзистор VT1 закрывается. За счет этого средний ток зарядки уменьшается, а при полной заряженности аккумуляторной батареи становится равным нулю (транзистор VT1 постоянно закрыт).
Блок управления синхронным выпрямителем питается выпрямленным напряжением через диод VD1. Конденсаторы С5 и С6 сглаживают пульсации.
Рис. 2
Чертеж печатной платы блока управления изображен на рис. 2, а ее внешний вид - на рис. 3. Вместо конденсаторов С5 и С6 здесь смонтирован один конденсатор емкостью 4700 мкФ. Модуль закрепленных на теплоотводах полевых транзисторов VT1-VT5 показан на рис. 4.
Если потребляемый от синхронного выпрямителя ток заведомо не превысит 100 А, в каждом его плече можно оставить по одному транзистору. А если необходим ток больше 200 А, число параллельно соединенных транзисторов в каждом плече можно соответственно увеличить либо заменить их более мощными, в том числе IGBT. Например, IGBT GA400GD25S рассчитаны на ток 400 А, GA600GD25S - 600 А.
Автор: В. Калашник, В. ЧЕРНИКОВ, г. Воронеж