日本艾琪EIKI-5500S 型電影放映機(jī)氙燈電源電路剖析

邢 華

（青龍滿族自治縣融媒體中心，河北 青龍 066500）

1 概述

日本映機(jī)工業(yè)株式會(huì)社EIKI-5500S 型電影放映機(jī)氙燈電源采用典型的半橋式脈沖寬度調(diào)制型（Pulse Width Modulation，PWM）開關(guān)電源，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 半橋式PWM 基本結(jié)構(gòu)

兩個(gè)容量相等的電容器C1和C2是電源U1的濾波電容器，當(dāng)BG1、BG2兩管均截止時(shí)，由于靜態(tài)時(shí)C1和C2的分壓作用，因此A 點(diǎn)電壓為電源電壓U1的一半，BG1、BG2所承受的電壓也為U1的一半。流過高頻變壓器B 初級(jí)繞組的電流在兩個(gè)次級(jí)繞組中感應(yīng)出電壓，這兩個(gè)電壓經(jīng)二極管D3、D4整流，再經(jīng)電感L 和電容C0濾波后輸出。BG1、BG2關(guān)斷時(shí)存在尖峰電壓，開關(guān)功率管工作時(shí)所承受的瞬間最大電壓等于U1。此外，流過高頻變壓器B 和電容C 的電流呈線性增加。其中，電壓尖峰和電流尖峰均是由變壓器B 的感抗所致。

開關(guān)電源功率轉(zhuǎn)換電路中，使用的開關(guān)功率管由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)都會(huì)有一定的存儲(chǔ)時(shí)間，主要表現(xiàn)是關(guān)斷延遲，即上一個(gè)管子工作還未結(jié)束，下一個(gè)管子已經(jīng)開始導(dǎo)通。電流不通過負(fù)載直接從兩個(gè)管子流過形成短路，導(dǎo)致兩個(gè)功率管瞬間被大電流擊穿。為了防止兩個(gè)開關(guān)功率管交替工作過程中共同導(dǎo)通（共態(tài)導(dǎo)通）形成短路而損壞元器件，電路設(shè)計(jì)時(shí)必須預(yù)先設(shè)定死區(qū)時(shí)間，并使其大于開關(guān)功率管的存儲(chǔ)時(shí)間。

開關(guān)功率管和電路中的元器件參數(shù)總會(huì)存在不一致性，如果高頻變壓器磁通在一個(gè)工作周期結(jié)束時(shí)不能復(fù)位，剩余磁通則在某一個(gè)方向逐漸積累出現(xiàn)磁芯飽和，此時(shí)變壓器的感抗消失并形成大電流，最終導(dǎo)致開關(guān)功率管損壞。由于半橋式電路中施加在高頻變壓器上的電壓取決于電容中點(diǎn)A 的電位，動(dòng)態(tài)情況下A 點(diǎn)電位由電容C1和C2的分壓值決定，脈沖寬度較大一側(cè)電容上的電壓較低，脈沖寬度較小一側(cè)電容上的電壓較高，即電容器中點(diǎn)A 的電位具有浮動(dòng)性，有效防止了磁芯飽和。此外，該電路中加入了電容器C，起到了隔離直流作用，進(jìn)一步避免了偏磁的產(chǎn)生，使開關(guān)功率管始終處于安全工作狀態(tài)。

2 EIKI-5500S 型放映機(jī)氙燈電源

2.1 主要參數(shù)

該電源的輸入電壓可選擇100 V 或220 V，輸出電壓50 V（空載），觸發(fā)輔助電壓150 V。其輸出電流18～25 A，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。此外，輸出電流的紋波系數(shù)不大于3%，使用環(huán)境溫度為-20～+40 ℃。

2.2 電源的電路結(jié)構(gòu)

EIKI-5500S 型氙燈電源整體工作流程如圖2所示，電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 EIKI-5500S 型氙燈電源工作流程

圖3 EIKI-5500S 型放映機(jī)氙燈電源結(jié)構(gòu)

2.2.1 輸入噪聲濾波與軟啟動(dòng)電路

輸入噪聲濾波與軟啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 輸入噪聲濾波與軟啟動(dòng)電路

由C1～C4和L1組成的輸入噪聲濾波器主要防止開關(guān)電源引起的高頻干擾噪聲反向串入電網(wǎng)，同時(shí)也防止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源。PWM 電源直接從220 V 電網(wǎng)整流，整流電壓峰值約310 V，開機(jī)時(shí)給濾波電容充電的浪涌電流較大，如果不采取措施，很容易損壞電源中的元器件。對(duì)于此問題，一般是增加軟啟動(dòng)電路。開機(jī)瞬間由于J1的供電電路里存在R3和C5，C5充電需要一定的時(shí)間，因此J1不會(huì)馬上吸合，J1-1未接通，此時(shí)R1、R2串聯(lián)在電源回路中限制了開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌沖擊電流，使啟動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)峰值電流最大不超過30 A。經(jīng)過一段時(shí)間的延遲，C5充電后已經(jīng)能夠使J1吸合，R1、R2被J1-1觸點(diǎn)短接，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。R3和C5的數(shù)值決定J1延時(shí)吸合的時(shí)間，數(shù)值小則延時(shí)時(shí)間較短，反之延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2.2 輸入整流濾波電路

輸入整流濾波電路由橋式整流器D2、電壓均壓電阻R4和R5以及濾波電容C6～C11組成，如圖5 所示。220 V/50 Hz 的交流電源經(jīng)橋式整流器整流后變?yōu)橹绷髡野j(luò)脈沖，再經(jīng)電容濾波后形成310 V 的直流電。

圖5 輸入整流濾波電路

2.2.3 功率轉(zhuǎn)換與高頻整流濾波電路

功率轉(zhuǎn)換與高頻整流濾波電路如圖6 所示。

圖6 功率轉(zhuǎn)換與高頻整流濾波電路

功率轉(zhuǎn)換部分主要由大功率開關(guān)三極管BG1和BG2、電容C12、高頻變壓器B1等元器件組成。BG1、BG2采用2SC2830 大功率開關(guān)三極管，受PWM 控制電路和驅(qū)動(dòng)電路控制工作于交替導(dǎo)通狀態(tài)。D16、D17、R40、R41則組成BG1、BG2 的瞬時(shí)峰值保護(hù)電路，電容C12用來防止BG1、BG2開關(guān)時(shí)間的差異而引起高頻變壓器B1的直流飽和。整流濾波部分由肖特基雙二極管D5、扼流圈L2和濾波電容C16、C17組成。

2.2.4 電流采樣反饋與PWM 控制電路

電流采樣反饋與PWM 控制電路如圖7 所示。該電路是EIKI-5500S 型氙燈電源作為恒流電源與一般穩(wěn)壓電源的主要不同之處，即反饋電路的取樣是串聯(lián)在負(fù)載回路中，而不是并聯(lián)在負(fù)載兩端。

圖7 電流采樣反饋與PWM 控制電路

集成電路IC1（UPC1042C）是PWM 控制電路的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8 所示，各引腳功能和各腳工作電壓如圖9 所示。

圖8 UPC1042C 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

UPC1042C 是日本電氣公司早期專門為PWM控制電路設(shè)計(jì)的，由差分放大器、電壓比較器、鋸齒波發(fā)生器、基準(zhǔn)穩(wěn)壓器以及邏輯電路等組成，是一個(gè)16 腳的雙列直插器件。

電源從IC1第15 腳輸入，內(nèi)部5 V 基準(zhǔn)電壓源為相關(guān)電路供電，同時(shí)還從第11 腳輸出供外部電路作基準(zhǔn)電源。輸出電流的變化經(jīng)由R24送到IC1第5 腳，第11 腳5 V 基準(zhǔn)電壓經(jīng)VR3、VR2、R21與R20分壓，經(jīng)過R23作為標(biāo)量電壓加到第6 腳。第6腳標(biāo)量電壓與第5 腳反饋電壓的差值經(jīng)過誤差放大器2 放大，與第10 腳振蕩器的鋸齒波電壓經(jīng)過比較器1 進(jìn)行比較后，產(chǎn)生了占空比隨第5 腳采樣電壓變化的脈沖。調(diào)制過的脈沖經(jīng)內(nèi)部邏輯電路進(jìn)行進(jìn)一步處理和分配放大，分別從第12 腳和第13 腳輸出。

第12 腳和第13 腳輸出的兩個(gè)下拉脈沖相位差互為180°，44 kHz 的脈沖頻率被重新分配為兩路輸出，頻率變?yōu)?2 kHz。電阻R25和電容器C24、C25是用來穩(wěn)定電流差分放大器工作狀態(tài)的相位補(bǔ)償（負(fù)反饋）器件，其中R25還決定著電流誤差放大器的增益大小。

第7 腳是死區(qū)控制端，為了防止高頻功率轉(zhuǎn)換電路中的大功率開關(guān)三極管BG1和BG2同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)而損壞，必須使脈沖的占空比小于40%。IC1第11 腳的5 V 直流電壓經(jīng)電位器VR1和電阻R22分壓后去往第7 腳，由比較器2 控制死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短。與此同時(shí)，第7 腳的的電壓設(shè)計(jì)在使輸出脈沖的占空比達(dá)到40%時(shí)就不會(huì)再繼續(xù)增大。利用電容器C28的充電特性，使剛開機(jī)時(shí)的第7 腳電壓由5 V 逐漸回落到設(shè)定值，IC1輸出的脈沖寬度也由0 開始逐漸增大到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了電源的緩沖啟動(dòng)。

當(dāng)電源通電后，第11 腳的5 V 電壓通過J3的常閉觸點(diǎn)J3-1和R27直接送到第7 腳，此時(shí)第12 腳和第13 腳輸出被關(guān)閉，開關(guān)功率管BG1、BG2不工作，電源主電路無(wú)電壓輸出。一旦開關(guān)K2接通，J3吸合，常閉觸點(diǎn)J3-1斷開，在C28的作用下第7 腳電壓逐漸回落到原設(shè)定值，第12 腳和第13 腳恢復(fù)輸出脈沖，開關(guān)功率管BG1、BG2開始工作。此時(shí)，電源主電路輸出50 V 直流電壓，氙燈具備點(diǎn)燃條件，觸發(fā)電路自動(dòng)觸發(fā)點(diǎn)燃氙燈，電源開始持續(xù)正常工作。

2.2.5 PWM 驅(qū)動(dòng)電路

IC1第12 腳、第13 腳輸出的PWM 脈沖信號(hào)是下拉脈沖（負(fù)方向），功率很小，不能直接推動(dòng)大功率開關(guān)三極管BG1和BG2工作。因此，在大功率轉(zhuǎn)換電路和PWM 脈沖信號(hào)控制電路之間需要加入驅(qū)動(dòng)電路，將PWM 脈沖信號(hào)放大去推動(dòng)BG1和BG2進(jìn)行大功率轉(zhuǎn)換，將直流電壓變換成22 kHz 的方波電壓并由高頻變壓器傳送至次級(jí)回路進(jìn)行全波整流。PWM 驅(qū)動(dòng)電路組成如圖10 所示。

電阻R34和R36串聯(lián)在BG2的正反向基極回路里，作用是限制BG2最大基極電流，以免大功率管發(fā)射結(jié)擊穿。此外，電容C32和電阻R38組成開關(guān)功率管BG2的基極峰壓防護(hù)電路。經(jīng)分析可知，PWM 電路實(shí)質(zhì)為電感儲(chǔ)能式反偏驅(qū)動(dòng)電路，工作原理如圖11 所示。

當(dāng)PWM 負(fù)向下拉脈沖加到BG4的基極時(shí)，BG4導(dǎo)通并產(chǎn)生電流Ie4，變壓器B3的次級(jí)感應(yīng)出一個(gè)電流IB1（正向）使轉(zhuǎn)換電路中的大功率管BG2導(dǎo)通。當(dāng)PWM 脈沖信號(hào)消失，BG4關(guān)斷的瞬間驅(qū)動(dòng)變壓器B3初級(jí)釋放存儲(chǔ)的能量，在B3次級(jí)感應(yīng)出一個(gè)相對(duì)于BG2 發(fā)射結(jié)為反向的高電壓，約為正向電壓的2 倍。該反向電壓作用在大功率管BG2的發(fā)射結(jié)上，使BG2迅速截止，有效減少了BG2的開關(guān)損耗。

電路中驅(qū)動(dòng)變壓器B3的磁芯采用高頻、損耗小的鐵氧體材料，除了具有驅(qū)動(dòng)、倒相、產(chǎn)生反偏電流等功能外，還能隔離PWM 控制電路與高頻大功率轉(zhuǎn)換電路。

2.2.6 輔助電壓控制電路與輔助電源

輔助電壓控制電路組成如圖12 所示。B2是輔助電源的變壓器，其作用是通過橋式整流器D4和IC2為PWM 控制電路和驅(qū)動(dòng)電路提供直流15 V 的工作電源，同時(shí)提供點(diǎn)燃氙燈所需的輔助電壓。此外，放映機(jī)上其他電器也是由這個(gè)輔助電源變壓器供電。

圖12 輔助電壓控制電路

當(dāng)開關(guān)電源正常工作，輸出端有超過50 V 的直流空載電壓，這個(gè)電壓經(jīng)分壓電路使三極管BG3導(dǎo)通，J2吸合，J2-1閉合接通（此時(shí)J1-2已經(jīng)接通），輔助變壓器B2次級(jí)的125 V 交流電壓經(jīng)D3橋式整流成150 V 直流電，通過R18與主電源輸出的50 V 空載電壓疊加。此時(shí)，主電源空載電壓已達(dá)到150 V，為氙燈觸發(fā)器和氙燈燈泡提供了點(diǎn)燃的基礎(chǔ)條件。

當(dāng)氙燈被觸發(fā)點(diǎn)燃時(shí)，電源通過負(fù)載形成電流并達(dá)到設(shè)定值。基于氙燈固有的特性，其內(nèi)阻驟然下降，氙燈兩端電壓也會(huì)立即下降到20 V 左右，由R15和R16等組成的分壓電路的分壓值降低，無(wú)法維持三極管BG3的飽和導(dǎo)通。此時(shí)，BG3自動(dòng)轉(zhuǎn)為截止，J2釋放，J2-1切斷150 V 輔助電壓，氙燈轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過分析，供放映氙燈使用的PWM 開關(guān)電源需要具備恒流特性。根據(jù)氙燈點(diǎn)燃特性要求，空載電壓必須不小于50 V。氙燈未點(diǎn)燃之前，還有一個(gè)75～150 V 的輔助電壓疊加在電源的輸出端，該輔助電壓在氙燈被點(diǎn)燃后要能夠立即自動(dòng)關(guān)斷。氙燈點(diǎn)燃后，電源以設(shè)定（由氙燈功率決定）的電流持續(xù)工作。通過對(duì)電路的繪制和分析，希望能對(duì)相關(guān)維修有所幫助。