Преобразователи питающего напряжения

До недавнего времени наиболее распространенные источники питания имели трансформаторную схему с выпрямителем и емкостным фильтром. Со временем их вытеснили источники питания на основе импульсных преобразователей. Импульсные источники питания выгодно отличаются большей удельной мощностью. Высокочастотные трансформаторы обладают меньшими габаритами и требуют меньших затрат медного провода что значительно снижает стоимость всего изделия в целом. Тем не менее, трансформаторные схемы промышленной частоты 50 (60) Гц будут актуальны и впредь в виду своей простоты и надежности.

Классификация

Преобразователи питающего напряжения можно классифицировать следующим образом:

  1. По роду питающего напряжения:
    постоянного;
    переменного;
    универсальные.
  2. По коэффициенту преобразования напряжения:
    повышающие;
    понижающие.
  3. По характеру выходной вольтамперной характеристики (ВАХ):
    не стабилизированные;
    стабилизированные;
    регулируемые.
  4. По типу базовой схемы преобразования:
    трансформаторная низкочастотная;
    импульсная дроссельная;
    импульсная однотактная обратноходовая, прямоходовая;
    импульсная двухтактная, мостовая и полумостовая схемы;
    инверторы;
    тиристорные и симисторные преобразовательные схемы.

Низкочастотные трансформаторные схемы

Рисунок 1. Трансформатор переменного тока

Трансформаторные схемы отличаются простотой и надёжностью. Применяются для преобразования переменного напряжения синусоидальной формы. Базовая схема изображена на рисунке 1. Частота преобразования соответствует применяемой частоте питающей сети, в подавляющем большинстве случаев это 50 Гц, в некоторых странах 60 Гц, и изредка 400 Гц для питания специализированного оборудования.

 

Классификация по коэффициенту преобразования напряжения

Коэффициент преобразования трансформаторной схемы равен отношению выходного номинального напряжения к входному:

При К <1 схема является понижающей. Это наиболее часто встречающийся тип трансформаторных преобразователей промышленной частоты. Широко используется в источниках питания бытовой и промышленной электроники.

При K >1 схема повышающая. Применяется в тех случаях, когда требуется более высокое напряжение по отношению к первичному. Иногда используется в качестве базовой схемы в инверторных преобразователях, а также для получения высоких напряжений, например, для питания магнетрона микроволновых печей, и т.п.

При K=1 величина выходного напряжения практически не изменяется по отношению к входному. Данная схема иногда применяется для гальванической развязки, когда необходимо исключить влияние сетевого напряжения на питаемый объект, или с целью электробезопасности.

Классификация по характеру выходной ВАХ

Нерегулируемые трансформаторы

Имеют одну первичную и одну, или несколько вторичных обмоток, чаще всего гальванически изолированных от первичной. ВАХ зависит от ряда условий и является неизменной.

Регулируемые трансформаторы – автотрансформаторы

Рисунок 2. Автотрансформатор

Автотрансформаторы предназначены для плавного или ступенчатого регулирования выходного напряжения. Чаще всего имеют одну обмотку, которая играет роль первичной и вторичной одновременно, а регулирование напряжения производится переключением выходной клеммы между различными выводами обмотки.

Входная клемма автотрансформатора подключается не на крайний вывод, а с небольшим смещением на несколько выводов к середине обмотки. Это позволяет при регулировании добиваться коэффициента преобразования как ниже, так и выше единицы. Коммутация выхода с выводами обмоток производится пакетным переключателем, или аналогичным коммутационным устройством.

При необходимости более плавного регулирования выходного напряжения применяются автотрансформаторы с видоизменённым конструктивом. Вся обмотка наматывается в один слой на тороидальном сердечнике виток к витку с небольшим зазором между витками. Часть изоляции с торцевой стороны тороидальной обмотки снимается с проводника для возможности подключения коммутационного устройства к каждому витку. Для контакта с витками используется скользящий или роликовый графитовый бегунок. Благодаря такой конструкции производится более плавное переключение между выводами (места, освобождённые от изоляции), а перемещение бегунка практически по всей обмотке трансформатора позволяет получать на выходе напряжения от нуля до максимального значения коэффициента трансформации. Благодаря такой специфической конструкции и возможности столь глубокого регулирования выходной величины напряжения, такие автотрансформаторы принято называть лабораторными автотрансформаторами, или сокращённо ЛАТР. Упрощённая электрическая схема ЛАТРа показана на рисунке 2.

Трансформаторные схемы с выпрямителем
Рисунок 3. Источник выпрямленного напряжения питания.

Вбольшинстве случаев промышленные и бытовые электронные устройства требуют питания от источника постоянного тока. Для этого трансформаторные схемы дополняют полупроводниковым выпрямителем, а для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выход схемы выпрямителя включают сглаживающий конденсатор. Базовая схема показана на рисунке 3, и может усложняться в зависимости от требований к ВАХ источника питания.

В некоторых случаях для питания различных блоков схемы требуются напряжения разных уровней, или симметричный источник питания со средней точкой. Для этого используются многообмоточные трансформаторы с подключением к каждой обмотке разных напряжений или плеч отдельного выпрямителя с ёмкостным фильтром.

 

Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Когда требуется запитать устройство от напряжения со сниженным значением по отношению к имеющемуся напряжению питания, часто применяются схемы стабилизаторов на основе делителей напряжения - транзисторов или интегральных стабилизаторов. Недостатком этого способа является то, что при необходимости значительного снижения напряжения питания относительно первичного, на регулирующем элементе (транзисторе, микросхеме стабилизатора) выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока его нагрузки. При значительной мощности нагрузки такое преобразование влечёт весомые потери энергии и снижение КПД. Для более эффективного преобразования питающего напряжения применяются импульсные преобразователи, работа которых основана на частотно-импульсной или широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 4. Схема замещения силового каскада импульсного регулятора напряжения.

Для понимания процесса импульсной модуляции рассмотрим схему на рисунке 4. На выводы входа «Общ.» и «Uип» подаётся напряжение первичного источника. Ключ SA1 управляется устройством управления в импульсном режиме, периодически замыкая и размыкая цепь заряда конденсатора C1 через балластный резистор Rб. При замыкании ключа SA1 конденсатор начинает заряжаться, напряжение на нём постепенно растёт. При размыкании ключа заряд прекращается. Если нагрузка отключена, то напряжение на конденсаторе остаётся неизменным до следующего замыкания ключа. Когда к выходу подключена нагрузка, то конденсатор разряжается, напряжение на нём падает. Если рассматривать этот повторяющийся процесс в течении длительного времени, то будут заметны значительные колебания напряжения на выходе устройства при нагрузке. Чтобы эти колебания были не столь значительны, достаточно сократить время процесса заряда и разряда конденсатора, т.е. увеличить частоту следования импульсов коммутации до приемлемых значений.

Уровень напряжения на выходе такого преобразователя зависит от отношения времени замкнутого положения ключа ко времени разомкнутого положения и от величины нагрузки. Если принять величину нагрузки постоянной, тогда уровень напряжения будет прямо пропорционален длительности импульса в периоде. Отношение длительности импульса к периоду следования называется коэффициентом заполнения импульсов:

где D – коэффициент заполнения импульсов, t – длительность импульса, T – период следования импульсов.

Чем больше коэффициент заполнения импульсов, тем выше может быть поднято напряжение на выходе преобразователя. Для исследования работы такого преобразователя можно собрать базовую схему, изображённую на рисунке 5.

Рисунок 5. Базовая схема выходного каскада схемы импульсного преобразователя напряжения.

Ключ VT1 коммутирует цепь заряда конденсатора C1 через балластный (токоограничивающий) резистор Rб. Подтягивающий резистор Rп ускоряет стечение электронов из области базы в момент запирания ключа VT1. Rо – резистор, ограничивающий максимальный ток базы ключа VT1. VT2 – ключ управления током базы транзистора VT1. Его назначение – согласование работы схемы с сигналом генератора относительно минуса питания, принципиального значения не имеет, если сигнал генератора инвертировать и подавать относительно плюса питания на базу ключа VT1.

Коэффициент заполнения можно изменять несколькими способами. Рассмотрим их по отдельности.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

При изменении частоты следования импульсов одинаковой длительности меняется только длительность пауз между ними. Длительность импульсов - величина постоянная, она ограничивает максимально возможную частоту, которой достигнет генератор при максимально возможном коэффициенте заполнения импульса, т.е., когда приближенно выполняется равенство

Частота при этом будет равна

Рисунок 6. Принцип частотно-импульсной модуляции.

Рисунок 6 иллюстрирует принцип частотно-импульсной модуляции. Красная прямая «а» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе C1 (схема на рис.5) во время заряда (ключ VT1 замкнут). Зелёная прямая «б» - условно линейная временная зависимость напряжения на фильтрующем конденсаторе при его разряде на нагрузку. t – длительность импульсов, одинаковая для всех импульсов. T1, T2, T7 и Tn – период следования импульса соответствующего порядка. Как иллюстрирует приведённый пример, периоды следования импульсов могут отличаться, и влияют на среднее значение энергии передаваемой от первичного источника на выход.

В нижней части рисунка изображена теоретически истинная диаграмма напряжения на фильтрующем конденсаторе, состоящая из отрезков, отражающих периодически повторяющийся заряд/разряд. Синяя кривая показывает усреднённое значение напряжения на выходе преобразователя. Горизонтальный участок этой кривой демонстрирует режим стабилизации напряжения выхода – Uст.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Рисунок 7. Принцип широтно-импульсной модуляции.

При неизменном периоде следования импульсов, т.е., когда частота импульсов не меняется, модуляция производится изменением длительности импульсов, при этом обратно пропорционально изменяется длительность пауз. Принцип несколько похож на частотно-импульсную модуляцию.

Широтно-импульсная модуляция проиллюстрирована на рисунке 7. В отличии от ЧИМ, здесь период следования импульсов T является постоянной величиной, а длительность импульсов порядка t1, t4, tn меняется в зависимости от требуемого уровня модулируемой выходной величины.

Отличие рассмотренных методов позволяет для выполнения одной задачи применять различные схемотехнические решения.

 

Рисунок 8. Иллюстрация частотно и широтно-импульсной модуляции при регулировании.

Применяя частотную, или широтно-импульсную модуляцию можно ограничивать, стабилизировать или динамически регулировать выходную величину. На рисунке 8 продемонстрированы примеры ЧИМ и ШИМ регулирования.

 

Схемотехника импульсных преобразователей

Рассматривая схему на рисунках 4 и 5, можно обратить внимание на один значительный недостаток такого решения: через балластный резистор Rб при замкнутом ключе протекает ток, пропорциональный падению напряжения на нём. В результате резистор рассеивает часть энергии в виде тепла, а это влечёт за собой снижение КПД. Для устранения этого недостатка вместо балластного резистора в импульсных схемах применяются индуктивные элементы – дроссели и импульсные трансформаторы.

Дроссель ограничивает нарастание тока по переднему (нарастающему) фронту импульса. От момента включения дросселя в цепь до полного магнитного насыщения сердечника, в нём запасается энергия в виде магнитного поля. После полного насыщения сердечника, даже если ток продолжает нарастать, дроссель не способен запасать больше энергии, в результате энергия начинает выделяться в виде тепла, что может вызвать потери и снизить КПД. Поэтому схему необходимо рассчитывать так, чтобы наибольшая длительность импульса ограничивалась до момента полного насыщения. При разрыве цепи дросселя по заднему (нисходящему) фронту импульса, магнитное поле дросселя в результате прекращения протекания тока быстро уменьшается. Уменьшение магнитного поля обуславливает возникновение на концах обмотки дросселя импульса напряжения магнитной индукции противоположной полярности, по отношению к приложенному напряжению во время протекания через обмотку дросселя тока. Это напряжение можно коммутировать таким образом, чтобы использовать энергию импульса для питания нагрузки. Так дроссель, ограничивая, ток накапливает энергию, а между импульсами может накопленную энергию передать нагрузке, или вернуть первичному источнику. В результате сокращаются потери энергии при значительном понижении выходного напряжения относительно входного, даже при питании мощной нагрузки.

Появление импульса обратной ЭДС в обмотке дросселя можно использовать не только для повышения КПД устройства при ограничении напряжения, но и для повышения выходного напряжения относительно входного.

Недостатком дроссельных преобразователей является невозможность гальванической развязки выхода от первичного источника питающего напряжения. Гальваническая развязка может быть обеспечена с применением импульсных трансформаторов с раздельными обмотками первичного (питающего) и вторичного напряжений. Трансформаторные схемы могут работать как в однотактном режиме (режим дросселя), так и в двухтактном.

 

Типовые схемы каскадов импульсных преобразователей с применением индуктивных элементов – дросселей и импульсных трансформаторов

Схемы выходных каскадов однотактных преобразователей постоянного напряжения с применением дросселя
Понижающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения
Рисунок 9. Упрощённая схема каскада понижающего однотактного преобразователя с применением дросселя.

На рисунке 9 показан выходной каскад. SA1 – ключ, управляемый схемой. При включении ключа в первоначальный момент времени к дросселю прикладывается разница напряжения источника питания относительно напряжения выхода. Затем, по мере намагничивания дросселя, ток через него постепенно возрастает, а падение напряжения на нём наоборот уменьшается. При протекании тока через дроссель фильтрующий конденсатор C1 заряжается, а дроссель накапливает энергию в магнитном поле сердечника. При размыкании ключа на концах обмотки L1 возникает импульс обратного напряжения. При появлении обратной ЭДС в дросселе, импульсный диод DV1 коммутирует освободившийся вывод его обмотки с минусом C1. В результате запасённая энергия в магнитном поле дросселя не теряется, а тратится на дополнительный заряд фильтрующего выходного конденсатора в промежутках между импульсами.

Повышающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения

Рисунок 10. Упрощённая схема каскада повышающего однотактного преобразователя с применением дросселя.

При подключении схемы (рисунок 10) к первичному источнику постоянного напряжения, конденсатор C1 через дроссель L1 и импульсный диод (диод Шоттки) DV1 заряжается. Напряжение на нём достигает напряжения источника питания, за вычетом падения напряжений на дросселе и диоде.

 

Дроссель рассчитывается так, чтобы при разомкнутом ключе SA1 при работе на нагрузку, ток нагрузки не приводил к значительному насыщению сердечника дросселя.

При замыкании ключа SA1 к дросселю прикладывается напряжение источника питания, ток через него увеличивается, а в сердечнике накапливается энергия магнитного поля до момента полного насыщения. Диод VD1 при замыкании ключа под действием обратного напряжения закрывается, исключая замыкание конденсатора C1.

После некоторого насыщения сердечника ключ размыкается.

В момент размыкания ключа на дросселе возникает импульс напряжения обратной полярности. На аноде разделительного диода появляется напряжение равное сумме напряжений первичного источника питания и напряжения импульса на дросселе. Диод открывается и конденсатор C1 заряжается.

Благодаря тому, что в момент размыкания ключа напряжение обратного импульса дросселя создаёт прибавку к напряжению первичного источника, на выходе преобразователя мы можем получить напряжение, превышающее напряжение первичного источника.

На основе этой схемы можно строить преобразователи с регулируемым напряжением выхода, но регулировка возможна только от напряжения первичного источника, что ограничивает область применения данного решения.

Пример транзисторных схем выходных каскадов дроссельных преобразователей

Для проведения опытов по рассмотренным видам дроссельных преобразователей можно собрать схемы каскадов на транзисторах, показанных на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Схема выходного каскада понижающего дроссельного преобразователя.
Рисунок 12. Схема выходного каскада понижающего дроссельного преобразователя.
Ненасыщающийся импульсный трансформатор

При подаче на трансформатор однополярных импульсов напряжения, из-за крутой характеристики петли гистерезиса, остаточная напряжённость в сердечнике не снимается, и с каждым следующим импульсом достигает такого значения, при котором изменение напряжённости магнитного поля от начала до конца импульса становится несущественным. Поскольку передача энергии в трансформаторе осуществляется изменяющимся магнитным полем, величина которого значительно снижается при одностороннем намагничивании сердечника, снижается количество энергии, которое трансформатор способен передать за один рабочий период, т.е. его эффективность. В таких случаях иногда говорят, что трансформатор насыщается постоянной составляющей тока намагничивания.

Существуют несколько способов борьбы с явлением такого паразитного насыщения сердечника. Наиболее простой из них – введение в цепь сердечника немагнитного зазора. Введение зазора в замкнутую цепь магнитопровода делает характеристику его петли гистерезиса более пологой, что позволяет значительно снизить остаточную намагниченность, и увеличить эффективное изменение магнитного потока, который влияет на количество энергии, передаваемое трансформатором во вторичные обмотки за один период. Данный способ не устраняет проблему перенасыщения сердечника трансформатора полностью, но оказался столь эффективным, что получил наиболее широкое распространение в схемотехнике однотактных трансформаторных преобразователей. А трансформаторы, в которых каким либо образом остаточная намагниченность от постоянной составляющей рабочих токов компенсируется или подавляется, назвали ненасыщающимися.

По своей сути, трансформатор с разомкнутым магнитопроводом является дросселем, с наличием вторичных обмоток.

В работе однотактных преобразователей выделяют две фазы цикла:

  1. возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе увеличения напряжённости магнитного потока при увеличивающемся первичном токе (намагничивание сердечника);
  2. возбуждение ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке в ходе спада напряжённости магнитного потока при сбросе первичного тока (размагничивание сердечника).

Снимать полезную мощность со вторичной обмотки целесообразно либо в первую фазу цикла, либо во вторую. При полезной нагрузке вторичной обмотки в первую фазу преобразователь называется «прямоходовым», во вторую – «обратноходовым».

Прямоходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора

На рисунке 13 изображена схема силового каскада прямоходового импульсного преобразователя.

Рисунок 13. Вариант схемы выходного каскада прямоходового преобразователя.

Когда при подаче управляющего импульса ключ VT1 открывается, к первичной обмотке T1 прикладывается напряжение питания. Ток первичной обмотки начинает увеличиваться по мере насыщения сердечника. В это время увеличивающийся магнитный поток сердечника вызывает индукцию напряжения на вторичной обмотке такой полярности, при которой импульсный диод VD1 открывается, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.

Когда ключ VT1 закрывается, через первичную обмотку прекращает течь ток, в результате чего напряжённость магнитного поля начинает изменяться в обратную сторону, то есть уменьшаться. Уменьшение напряжённости магнитного потока сердечника индуцирует во вторичной обмотке напряжение обратной полярности, при котором диод VD1 закрывается. Обе обмотки оказываются не нагруженными, и в результате на концах всех обмоток может возникнуть импульс напряжения, в несколько раз превышающий по величине напряжение первичного источника. Этот импульс может вывести из строя и импульсный диод, если превысит его максимальное обратное напряжение, и транзисторный ключ. Поэтому такие схемы необходимо дополнять защитными цепями.

Способы защиты могут быть разнообразны, на рисунке показан лишь один из возможных вариантов. Здесь в момент появления импульса обратного напряжения его всплеск открывает демпфирующий диод VDд, в результате конденсатор демпфирующей цепочки Cд шунтирует первичную обмотку при прохождении крутого фронта импульса напряжения, а резистор Rд несколько снижает величину напряжения всего импульса.

Обратноходовый преобразователь с применением ненасыщающегося импульсного трансформатора
Рисунок 14. Вариант схемы выходного каскада обратноходового преобразователя.

Схема на рисунке 14 повторяет схему на рисунке 13. Разница в том, что у вторичной обмотки произведена смена выводов. Если Вы уже обратили внимание на знаки «*» у изображений обмоток Т1, то многие из Вас догадались, что это условное обозначение начала обмоток.

Теперь, при открывании ключа в первичной обмотке начнёт увеличиваться ток c намагничиванием сердечника, но во вторичной обмотке индуцированное напряжение закроет диод VD1, и вся энергия (за исключением потерь) передаваемая через первичную обмотку будет накапливаться в магнитном поле сердечника до его полного насыщения. При запирании ключа, через первичную обмотку прекращает течь ток, а во вторичной индуцируется напряжение обратной полярности, которое открывает диод VD1, заряжая конденсатор C1 и питая нагрузку.

В этом случае у нас полезная нагрузка снимается со вторичной обмотки в период размагничивания сердечника, во время обратного хода цикла работы преобразователя. Отсюда и название – «обратноходовый».

Фаза обратного хода при постоянной нагрузке такого преобразователя активна, и в первичной обмотке не должно возникать опасных всплесков напряжения при размыкании первичной цепи. Но когда нагрузка имеет переменный характер, то при работе в режиме холостого хода ключ может выйти из строя. Для этого рассмотренную схему необходимо дополнить цепочкой защиты, аналогично схеме рисунка 13.

Рассмотренные выше схемы каскадов однотактных преобразователей пригодны лишь в диапазоне малых мощностей, приблизительно до 100 ВА.

Схемы выходных каскадов двухтактных преобразователей постоянного напряжения с применением импульсных трансформаторов

Силовые трансформаторы являются ключевым элементом устройств преобразования питающего напряжения. Как мы уже говорили, однотактные режимы работы накладывают значительные ограничения на их применение и эффективность. Для более полноценного использования всех полезных свойств импульсных трансформаторов, их применяют в схемах двухтактного преобразования. Это позволяет не только увеличить КПД, но и в значительной степени мощность преобразователя.

Рассмотрим три базовые схемы силовых каскадов двухтактных импульсных преобразователей.

Схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя с выводом средней точки первичной обмотки
Рисунок 15. Схема выходного каскада двухтактного преобразователя с двойной первичной обмоткой.

В схеме на рисунке 15 используется импульсный трансформатор T1 с двумя первичными обмотками I и II, которые соединены последовательно, т.е. конец одной обмотки соединён с началом второй. Такое соединение образует среднюю точку, к которой подключается один из полюсов источника питания, в данном случае положительный. Свободные выводы первичных обмоток подключаются к противоположному полюсу источника питания через силовые коммутирующие ключи VT1 и VT2.

Полный цикл работы данной схемы заключается в поочерёдном включении обмоток I и II в цепь источника питания. Например, при открывании ключа VT1 обмотка I возбуждает в сердечнике магнитный поток определённой напряженности магнитного поля. При закрывании VT1 магнитный поток сердечника ослабляется до остаточной величины. Это первый такт работы. Далее, открывается ключ VT2, при этом через обмотку II начинает течь ток, создающий магнитный поток противоположного направления по отношению к первому такту. При этом сердечник успевает полностью размагнититься, а затем снова насытиться магнитным потоком обратной полярности. При закрытии ключа VT2 магнитный поток так же снижается до величины остаточного. Это второй такт работы преобразователя.

Работа в двухтактном режиме позволяет полноценно использовать преимущество импульсных трансформаторов, имеющих сердечники с высоким значением магнитной проницаемости, и не требует введения немагнитного зазора в цепь магнитопровода.

Если кратко изложить суть реализации двухтактного трансформаторного преобразования, это – периодическое изменение направления тока в первичной обмотке.

Полумостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
Рисунок 16. Полумостовая схема выходного каскада двухтактного преобразователя.

В полумостовой схеме (рисунок 16) ток в первичной обмотке создаётся путём перезарядки конденсаторов C2 и C3.

Пока оба ключа закрыты, после подачи питающего напряжения, конденсаторы верхнего и нижнего плеча полумоста C2 и C3 заряжаются приблизительно равномерно, и на общем выводе формируется напряжение, примерно равное половине напряжения питания.

При открывании ключа VT1 начало (помечено «*») первичной обмотки I оказывается подключено к положительному полюсу источника питания. При этом конденсатор С2 начинает разряжаться, а C3 заряжаться. Потенциал общей точки конденсаторов будет стремиться подтянуться к положительному полюсу первичного источника питания.

При закрывании VT1 и открывании VT2, начало обмотки переключается с положительного на отрицательный полюс первичного источника питания. При этом будет наблюдаться симметричный процесс ранее рассмотренному – C3 будет разряжаться, а C2 заряжаться. Их общая точка первичной обмоткой будет стремиться подтянуться к минусу питания.

В результате описанных выше двух тактов работы преобразователя, в первичной обмотке будет создаваться переменное направление электрического тока, он будет возбуждать переменный магнитный поток в сердечнике трансформатора, а поток индуцирует переменное напряжение на вторичной обмотке.

В моменты коммутации на выводах первичной обмотки могут возникать импульсы напряжения, способные вывести из строя ключи, поэтому в целях защиты оба ключа шунтируются защитными диодами VD1 и VD2.

Мостовая схема силового каскада двухтактного импульсного преобразователя
Рисунок 17. Мостовая схема выходного каскада двухтактного преобразователя.

Мостовая схема (мост) представляет из себя четыре плеча, сформированных ключами VT1-VT4. Мост имеет две диагонали. Одна диагональ подключается к первичному источнику питания. Ко второй диагонали подключена первичная обмотка I импульсного трансформатора T1.

Для создания первичной обмоткой переменного магнитного потока в сердечнике трансформатора производится поочерёдная коммутация пар ключей VT1, VT4 и VT2, VT3.

Защитные диоды VD1, VD2, VD5 и VD6 при возникновении коммутационных импульсов на первичной обмотке коммутируют её таким образом, что не снятая нагрузкой энергия магнитного поля возвращается к первичному источнику питания.

Мертвое время (пауза)

При снятии управляющего сигнала транзистору требуется некоторое время, чтобы полностью закрыться. Если ключ (пара ключей в мостовой схеме) ещё не закрыт, или закрыт не до конца, а второй ключ (пара ключей) открывается, то источник первичного питания оказывается шунтированным созданной цепью открытых ключей. При этом транзисторы будут выделять значительное количество тепла, работать в режиме перегрузок, или могут даже выйти из строя. Чтобы этого не случилось, между тактами включения вводят специальную паузу – время необходимое для полного запирания ключей, отработавших в завершённом такте. Это время называют «мёртвой паузой», или «мёртвым временем».

Режимы регулирования и стабилизации
Рисунок 18. Общая структурная схема принципа импульсного преобразования электрических величин.

Для всех рассмотренных схем импульсных преобразователей характерен общий принцип организации процесса регулирования и стабилизации выходных параметров – импульсная модуляция. На рисунке 18 представлена структурная схема организации процесса преобразования с контролем выходного напряжения и тока.

Первичный источник питания ПИ снабжает энергией схему импульсной модуляции СИМ и выходной каскад ВК. Схема импульсной модуляции формирует управляющий сигнал, передаваемый по каналу управления КУ. Выходной каскад ВК в результате преобразования питающего напряжения первичного источника ПИ выдаёт на нагрузку Н напряжение, контролируемое схемой контроля напряжения СКН. Ток нагрузки контролируется схемой контроля тока СКТ. Схемы контроля по каналам обратной связи КОСТ и КОСН формируют информационные сигналы на входах схемы импульсной модуляции СИМ. На основании этих сигналов СИМ формирует необходимые характеристики управляющего сигнала, подаваемого по каналу управления КУ выходному каскаду ВК.

Данная структурная схема отражает наиболее сложный вариант преобразователя, способного контролировать и регулировать сразу несколько параметров, таких как ток, напряжение и мощность нагрузки. В отдельных случаях достаточно более простого исполнения. Например, там, где требуется только стабилизация напряжения, можно исключить схему контроля тока, скажем, для питания маломощного электронного устройства. Там, где требуется только контроль тока, можно исключить схему контроля напряжения, что обычно требуется при создании источников питания для светодиодных матриц. Полная же схема с контролем напряжения и тока может пригодиться для разработки зарядных устройств, когда требуется ограничить и ток, и максимально допустимое напряжение, или вообще создать более сложный алгоритм работы преобразования с помощью использования микроконтроллерных схем.

Заключение

В импульсной технике есть много нюансов, которые приходится учитывать при проектировании, но это уже более узкие темы, требующие рассмотрения в конкретных решениях. Приведённая информация является общей, ознакомительной. Невозможно в одной статье охватить всё разнообразие и экзотику схемотехники. Но какое бы устройство Вам не пришлось рассматривать, основополагающие принципы практически не меняются. Поэтому, усвоив азы Вы уверенно разберётесь в схемотехнике любой сложности.

Удачи!

С уважением, Михаил Сташков.