Типы импульсных преобразователей напряжения. Трансформаторные схемы с выпрямителем тока

Типы импульсных преобразователей напряжения. Трансформаторные схемы с выпрямителем тока

ГОУ СПО Кировский Авиационный техникум

ДОКЛАД

по электропитанию СВТ

«Однотактные импульсные преобразователи»

Студента группы ВП-34

1 Введение. Некоторые понятия.3
2 Первичные ИИП5
2.1 Прямоходовые и обратноходовые преобразователи5
8
10
2.4 Мостовой преобразователь11
3 Вторичные ИИП13
4 Импульсные преобразователи15
15
4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения. Конвертор16
5 Заключение19
5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП.19
5.2 Интегральные микросхемы для ИИП.19
5.3 Режим повторных включений ИИП.20
5.4 ИИП с поддержкой питания21
6 Литература22

1. Введение. Некоторые определения


Импульсные (ключевые) источники питания — ИИП (SMPS) — это современные источники питания с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор (стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром.

ИИП могут понижать напряжение питания, так же, как и линейные. В отличие от линейного регулятора(стабилизатора), однако, ИИП может также увеличивать напряжение питания и инвертировать выходное напряжение. Типовые схемы применения даются ниже.

Типовое применение для понижающего импульсного (ключевого) регулятора:

Формирование напряжения 5 В для питания цепей ТТЛ от 12 В батареи (особенно если 12 В батарея ограниченной емкости, поскольку ключевые стабилизаторы гораздо более эффективны чем линейные стабилизаторы).

Типовое применение для повышающего импульсного регулятора:

Формирование 25 В от напряжения 5 В для питания программируемого ПЗУ.

Типовое применение для инвертирующего импульсного регулятора:

Формирование двуполярного напряжения от однополярного для питания операционных усилителей.

Формирование отрицательного смещения для микросхем динамического ОЗУ.

Термин импульсный регулятор используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в выходной сигнал также постоянного напряжения той же самой или противоположной полярности более низкого или более высокого напряжения. Импульсные регуляторы используют дроссели и не обеспечивают гальванической развязки между входом и выходом.

Термин импульсный преобразователь используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в один или несколько выходных сигналов также постоянного напряжения более низкого или более высокого напряжения. Импульсные преобразователи используют трансформатор и обеспечивают гальваническую развязку (изоляцию) между входом и выходами, а также между выходами.

Термин импульсный источник питания — ИИП (SMPS) используется для описания импульсных регуляторов и преобразователей.

Дополнительная обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

Временные диаграммы напряжений и токов для прямоходового преобразователя показаны на рисунке 2.

Намагничивающий ток

Рисунок 2.

Выходное напряжение прямоходового преобразователя равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра и равно:

V out = V in x (n2/n1) x (T on x f)
где:
T on — время включенного состояния ключа
f — частота переключения

Обратноходовый (flyback) преобразователь


Рисунок 3.

Выходное напряжение для обратноходового преобразователя (трапецеидальная форма электрического тока) может быть рассчитано следующим образом:

V out =V in x (n2/n1) x (T on x f) x (1/(1-(T on x f)))

где:
n2 — число витков вторичной обмотки T1
n1 — число витков первичной обмотки T1
T on — время включенного состояния ключа Q1

Cхема управления контролирует V out и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа Q1).

Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность.

Заметим, что выходное напряжение меняется, когда изменяется коэффициент заполнения, T on x f. Однако зависимость между выходным напряжением и коэффициентом заполнения — не линейна, как имела место в прямоходовом преобразователе, это — гиперболическая функция.

Ток в обратноходовом преобразователе может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной обмотке спадет до нуля. Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то появляется «мертвое время», когда нет никакого тока ни в вторичной обмотке, ни в первичной.

Рисунок 4.

2.2 Двухтактный (Push Pull) преобразователь


Рисунок 5. Двухтактный преобразователь относится к числу прямоходовых. Как показано на рисунке 5, когда ключ Q1 включен, ток течет через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет.

 Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещен в прямом, а D1 — в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходнй конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра. Когда ключ Q1 выключается, магнитное поле в трансформаторе T1 спадает, и после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток течет через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещен в прямом, а D2 — в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. После окончания мертвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.

Имеются два важных соображения, касающиеся двухтактного преобразователя:

  1. Оба транзистора не должны проводить одновременно, поскольку это было бы эквивалентно короткому замыканию источника питания. Это означает, что время включенного состояния каждого ключа не должно превышать половину периода, иначе наложатся проводящие состояния ключей.
  2. Магнитный режим обеих половин первичной обмотки (вольт-секундные площадки) должен быть строго одинаков, иначе трансформатор может войти в насыщение, и это вызвало бы выход из строя ключей Q1 и Q2.

Эти критерии должны удовлетворяться схемой управления и драйвером.

Выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра:

V out = V in x (n2/n1) x f x (T on, q1 + T on, q2)

где:
V out — среднее выходное напряжение — В
V in — Напряжение питания — В
n2 — число витков вторичной обмотки
n1 — половина общего числа витков первичной обмотки
f — частота переключения — Гц
T on, q1 — время включенного состояния ключа Q1 — с
T on, q2 — время включенного состояния ключа Q2 — с

Cхема управления контролирует V out и управляет включенным состоянием ключей Q1 и Q2.

Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Временные диаграммы на рисунке 6 показывают токи двухтактного преобразователя.

Рисунок 6.

2.3 Полумостовой преобразователь

Рисунок 7.

Полумостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.

Для полумостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.

V out = (V in /2) x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)

где:

f — рабочая частота — Гц

Заметим, что T on,q1 должно быть равно T on,q2 и что Q1 и Q2 никогда не должны проводить одновременно.

Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

2.4 Мостовой преобразователь


Рисунок 8.

Мостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.

Для мостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.

V out = V in x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)

где:
V out — выходное напряжение — В
V in — входное напряжение — В
n2 — 0.5 x количество витков вторичной обмотки
n1 — количество витков первичной обмотки
f — рабочая частота — Гц
T on,q1 — время включенного состояния ключа Q1 — с
T on,q2 — время включенного состояния ключа Q2 — с

Диагональные пары транзисторов поочередно проводят, таким образом достигая изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора. Это можно пояснить следующим образом — когда включены ключи Q1 и Q4, ток будет течь «вниз» через первичную обмотку трансформатора (втекать в начало обмотки), а когда включены ключи Q2 и Q3, ток будет течь «вверх».

Схема управления контролирует Vout и управляет скважностью импульсов управления ключей Q1, Q2, Q3 и Q4.

Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.

3 Вторичные ИИП


Импульсный источник питания, который дает низкое напряжение, изолированный от первичного источника, часто называется вторичным ИИП. Типичная блок-схема такого источника питания показана на рисунке 9.

Рисунок 9.

Фильтр, показанный в левой части блок-схемы, необходим для предотвращения попадания в сет помех из источника питания. Он также помогает предохранять цепи ИИП от импульсов напряжения (или скачки напряжения) в сети переменного тока.

Типовая силовая часть такой схемы показана на рисунке 10.

Рисунок 10.

Конденсатор при питании от сети переменного тока 220 В заряжается до напряжения приблизительно 310 В (340 В для 240 В). Резистор R1 — низкоомный (номинал от 2 до 4 Ом), который предохраняет схему от бросков тока при заряде конденсатора C1 во время подачи питания. Q1 — высоковольтный МОП-транзистор, который используется в качестве быстродействующего ключа, переключающего импульс питающего тока в ферритовом высокочастотном трансформаторе T1. Частота переключения обычно лежит в диапазоне от 25 до 250 кГц. Элементы R2 и C2 составляют защитную цепь (snubber), которая уменьшает выбросы напряжения и шумы переключателя. Стабилизация достигается благодаря контролю за выходным напряжением в точке «FB» и регулирования ширины входных импульсов драйвера ключа Q1. Предохранитель FS2 необходим для защиты от короткого замыкания и перегрузки. FS2 иногда заменяется датчиком тока, который запирает при перегрузке драйвер ключа Q1.

4 Импульсные преобразователи


В регулируемом линейном источнике питания силовой трансформатор промышленной частоты используется для изоляции, а затем выпрямитель и линейный регулятор используются для формирования выходного напряжения.

В управляемом ИИП изоляция и регулирование объединены в единое целое, имеющее высокий КПД. В ИИП используется маленький высокочастотный трансформатор, обычно работающий в диапазоне частот от 25 до 250 кГц (хотя в маломощных ИИП до 1 МГц).

Трансформаторы и дроссели, используемые для ИИП, имеют ферритовые сердечники в противоположность листовым железным сердечникам их более низкочастотных двойников. Трансформаторы ИИП вообще имеют меньшее количество витков в обмотках чем трансформаторы промышленной частоты.

4.1 Однотактный преобразователь напряжения

Однотактный преобразователь напряжения содержит трансформатор, первичная обмотка которого состоит из двух частей с числом витков w1 и w2, первый транзистор, соединенный с блоком управления, и второй транзистор, шунтированный обратным диодом. Между эмиттерами транзисторов включен конденсатор. Коллекторы первого и второго транзисторов соединены с крайними выводами обмоток трансформатора. Кроме того, коллектор первого транзистора через резистор, шунтированный последовательной RC-цепью, образующие токозадающую цепь, соединен с входом управления второго транзистора.

В качестве первого и второго транзисторов в данном преобразователе могут быть использованы любые другие ключевые элементы, например, МОП транзисторы и т.д.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

При поступлении отпирающего сигнала на базу транзистора последний открывается, к обмотке трансформатора прикладывается входное напряжение. При этом к управляющему переходу транзистора прикладывается запирающее напряжение, практически равное напряжению конденсатора, и он запирается. Через второй транзистор протекает сумма токов намагничивания сердечника трансформатора и нагрузки. По окончании управляющего импульса транзистор запирается, ток намагничивания замыкается через диод, конденсатор и обмотку. К управляющему электроду второго транзистора прикладывается отпирающее напряжение, равное разности коллекторного напряжения первого транзистора и напряжения конденсатора. Второй транзистор отпирается, обеспечивая протекание тока намагничивания в обратном направлении.

Благодаря конденсатору ток намагничивания протекает непрерывно в течение всего периода следования импульсов с блока управления и среднее значение этого тока равно нулю. Это приводит к тому, что размагничивающее напряжение прикладывается к обмотке в течение всего времени запертого состояния первого транзистора, а перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по полному циклу с малой амплитудой тока намагничивания.

Таким образом, в предложенном устройстве уменьшены потери мощности на резисторе, включенном в управляющей цепи дополнительного ключа, за счет снижения напряжения на нем.

4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения . Конвертор.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение (напряжение на нагрузке) путём изменения времени подачи напряжения Uo на нагрузку Zн. Чаще всего применяют широтно-импульсный (ШИР) и частотно-импульсный (ЧИР) способы регулирования. Принцип действия ИППН основан на ключевом режиме транзистора или тиристора, которые периодически прерывают цепь подачи напряжения U0 в нагрузку (Рисунок 11). При широтно-импульсном способе выходное напряжение регулируют изменением длительности выходных импульсов tи (рисунок 12) при неизменном периоде их следования Т. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться по формуле Uн.ср=(tи/T)*Uо. Следовательно, выходное напряжение регулируют от нуля (при tи=0) до Uо(tи=T).

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Рисунок 13.

На рисунке 13 изображена схема широко распространённого ИППН . Такой преобразователь называют однотактным. В качестве ключа служит тиристор. Между нагрузкой Z н и тиристором включен сглаживающий LC-фильтр.

Диод Д, выполняющий функции обратного диода, необходим для создания электрической цепи для тока нагрузки при выключенном тиристоре.

Однотактные ИППН работают при мощности 100 кВт. Если требуется большая мощность, прибегают к многотактным ИППН.

Во всех ИППН отпирание проводниковых ключей производится путём принудительной подачи на тиристор (транзистор) коммутирующих импульсов, запирание же тиристоров осуществляется напряжением периодически перезаряжаемого конденсатора. Естественно, что коммутационный блок в ИППН имеет некоторое отличие от подобных блоков в автономных инверторах.

Отметим, что регулирование постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий КПД импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отношении неуправляемый выпрямитель, работающий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрямителем.

Преимущество импульсных преобразователей постоянного напряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением является то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до нескольких киловольт. Это позволяет создать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батарейки, термоэлектрические генераторы.

5 Заключение

5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП


Известно, что импульсные источники питания создают электромагнитные и радиопомехи. НЧ фильтры в подводящих проводах жизненно важны для уменьшения наводок по цепям питания. Экран Фарадея между обмотками трансформатора и вокруг чувствительных компонентов вместе с правильным расположением в блоке цепей, компенсирующим поля, также уменьшают электромагнитные и радиопомехи. Проблема сглаживания тока пилообразной формы требует применения фильтрового конденсатора. Индуктивность и сопротивление (последовательно включенные) стандартных электролитических конденсаторов влияют на пульсации и напряжения шума в выходных сигналах. Линейные источники питания не имеют себе равных в маломощных и очень малошумящих с низкими пульсациями в выходных сигналах источниках.

5.2 Интегральные микросхемы для ИИП


Mullard:


TDA2640
TDA2581

SGS:
L4960

Диапазон входного напряжения — 9 — 50 В постоянного тока

Регулируемое выходное напряжение — от 5 до 40 В

Максимальный выходной ток — 2.5 А

Максимальная выходная мощность — 100 Вт

Встроенная схема плавного включения

Стабильность внутреннего опорного источника — +- 4 %

Требует очень небольшого числа навесных компонентов

Коэффициент заполнения — 0 — 1

Высокий КПД — выше 90 %

Встроенная тепловая защита от перегрузки: микросхема выключается, когда температура pn-перехода достигает 150 град. C.

Встроенный ограничитель тока для защиты от короткого замыкания

L4962 (16-выводной DIP корпус. Выходной ток до 1.5 А)
L4964 (специальный 15- выводной корпус. Выходной ток до 4 А)

Texas Instruments:
TL494
TL497

TL497 имеет генератор с фиксированным временем включенного состояния, но с переменной выходной частотой. Это дает минимальное количество навесных элементов. Время включенного состояния определяется значением емкости конденсатора, подключенного между выводом 3 и землей.

5.3 Режим повторных включений ИИП


В импульсных источниках питания такой режим часто используется для ограничения выходного тока. Если ИИП перегружен, схема выключается. После некоторого интервала времени он включается, если перегрузка все еще существует, он немедленно выключается. На некоторых конструкциях, если это случается несколько раз, питание отключается, пока не будет сброшена блокировка схемы.

5.4 ИИП с поддержкой питания


Некоторые «более автономные» ИИП разработаны так, чтобы сохранить устойчивое выходное напряжение более чем несколько периодов при отключении входного питания. Это может быть достигнуто установкой входного конденсатора большой емкости, такой, что его напряжение не будет существенно падать в течение перерывов подачи энергии. Период времени, в течение которого ИИП поддерживает выходное напряжение, когда отсутствует входное, часто называют «временем поддержки питания».

6. Литература

1.INTERNET:

SGS Power Supply Application manual

Motorola Power MOSFET Transistor Databook

Unitrode Semiconductor Databook

Unitrode Applications Handbook

Transformer Core Selection for SMPS, Mullard

Soft Ferrites — Properties and Applications, E.C. Snelling

Switchmode — A Designer»s Guide, Motorola

SMPS Technology and Components, Siemens

Texas Instruments Linear Circuits Databook

Analogue Electronics Handbook, T.H. Collins

Smith, K.L. Ph.D. (University of Kent), «D.C. Supplies from A.C. Sources», Electronics & Wireless World, September 1984.

Иванов В.С., Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы MOTOROLA. — М.: ДОДЭКА, 1998

Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier. Пер. п/р В.В.Токарева. — Воронеж, 1995

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. 2-е. — М.: ДОДЭКА, 2000

Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989

Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Импульсные регуляторы и преобразователи постоянного напряжения. — М.: Изд-во МЭИ, 1998

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

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 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.

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

В большинстве 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.

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.

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 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)


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.

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

Понижающий дроссельный преобразователь постоянного напряжения

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

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.

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 .

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.

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

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

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

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

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

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.

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Рассмотрим несколько схем несложных импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;
– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:

Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.

Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания :

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.


Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM: Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Рассмотрим несколько схем несложных импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

  • понижающие, повышающие, инвертирующие;
  • стабилизированные, нестабилизированные;
  • гальванически изолированные, неизолированные;
  • с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы — они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка — 2х10 витков, вторичная обмотка — 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.

Преобразователь на специализированной микросхеме:

Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:


Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.

Два напряжения от одного источника питания :

Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.

Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.

Рассмотрим несколько схем простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного. Импульсные преобразователи подразделяются на группы:

  • понижающие, повышающие, инвертирующие;
  • стабилизированные, нестабилизированные;
  • гальванически изолированные, неизолированные;
  • с узким и широким диапазоном входных напряжений.

Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы — они проще в сборке и не капризны при настройке. Итак, приводим для ознакомления 14 схем на любой вкус:

Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка — 2х10 витков, вторичная обмотка — 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Преобразователь стабилизирующего типа на микросхеме MAX631 фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент — дроссель L1.

Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.


Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме MAX1674 фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД — 94%, ток нагрузки — до 200 мА.


Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 — накопители энергии.


8. Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме MAX1724EZK33 фирмы MAXIM

Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД — 90%.


Однако, цена подобного устройства средней мощности (300-500 Вт) составляет несколько тысяч рублей, а надежность многих китайских инверторов достаточно спорна. Изготовление своими руками простого преобразователя – это не только способ ощутимо сэкономить, но и возможность улучшить свои знания в электронике. В случае отказа же ремонт самодельной схемы окажется ощутимо проще.

Распространенные схемы


Простой импульсный преобразователь


Схема этого устройства очень проста , а большинство деталей могут быть извлечены из ненужного . Конечно, у нее есть и ощутимый недостаток – получаемое на выходе трансформатора напряжение 220 вольт далеко по форме от синусоидального и имеет частоту значительно больше, чем принятые 50 Гц. Напрямую подключать к нему электродвигатели или чувствительную электронику нельзя.

Для того, чтобы иметь возможность подключать к этому инвертору содержащую импульсные блоки питания технику (например, блок питания ноутбука), применено интересное решение – на выходе трансформатора установлен выпрямитель со сглаживающими конденсаторами . Правда, работать подключенный адаптер сможет только в одном положении розетки, когда полярность выходного напряжения совпадет с направлением встроенного в адаптер выпрямителя. Простые потребители типа ламп накаливания или паяльника можно подключать непосредственно к выходу трансформатора TR1.

Основа приведенной схемы – это ШИМ-контроллер TL494, наиболее распространенный в таких устройствах. Частоту работы преобразователя задают резистор R1 и конденсатор C2, их номиналы можно брать несколько отличающимися от указанных без заметного изменения в работе схемы.

Для большей эффективности схема преобразователя включает в себя два плеча на силовых полевых транзисторах Q1 и Q2. Эти транзисторы нужно разместить на алюминиевых радиаторах, если предполагается использовать общий радиатор – устанавливайте транзисторы через изоляционные прокладки. Вместо указанных на схеме IRFZ44 можно использовать близкие по параметрам IRFZ46 или IRFZ48.

Выходной дроссель наматывается на ферритовом кольце от дросселя, также извлекаемого из . Первичная обмотка мотается проводом диаметром 0,6 мм и имеет 10 витков с отводом от середины. Поверх нее наматывается вторичная обмотка, содержащая 80 витков. Также можно взять выходной трансформатор из сломанного источника бесперебойного питания.

Вместо высокочастотных диодов D1 и D2 можно взять диоды типов FR107, FR207.

Так как схема очень проста, после включения при правильном монтаже она начнет работать сразу и не потребует никакой настройки. Отдавать в нагрузку она сможет ток до 2,5 А, но оптимальным режимом работы будет ток не более 1,5 А – а это более 300 Вт мощности.

Готовый инвертор такой мощности стоил бы порядка трех-четырех тысяч рублей .

Эта схема выполнена на отечественных комплектующих и достаточно стара, но это не делает ее менее эффективной. Главное ее достоинство – это получение на выходе полноценного переменного тока с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.

Здесь генератор колебаний выполнен на микросхеме К561ТМ2, представляющей собой сдвоенный D-триггер. Она является полным аналогом зарубежной микросхемы CD4013 и может быть заменена ей без изменений в схеме.

Преобразователь также имеет два силовых плеча на биполярных транзисторах КТ827А. Их главный недостаток по сравнению с современными полевыми – это большее сопротивление в открытом состоянии, из-за чего нагрев при той же коммутируемой мощности у них сильнее.

Так как преобразователь работает на низкой частоте, трансформатор должен иметь мощный стальной сердечник . Автор схемы предлагает использовать распространенный советский сетевой трансформатор ТС-180.

Как и другие инверторы на основе простых ШИМ-схем, этот преобразователь имеет на выходе достаточно отличающуюся от синусоидальной форму напряжения, но это несколько сглаживается большой индуктивностью обмоток трансформатора и выходным конденсатором С7. Также из-за этого трансформатор во время работы может издавать ощутимый гул – это не является признаком неисправности схемы.

Простой инвертор на транзисторах


Этот преобразователь работает по тому же принципу, что и перечисленные выше схемы, но генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор) в нем построен на биполярных транзисторах.

Особенность этой схемы в том, что она сохраняет работоспособность даже на сильно разряженном аккумуляторе: диапазон входных напряжений составляет 3,5…18 вольт. Но, так как в ней отсутствует какая-либо стабилизация выходного напряжения, при разрядке аккумулятора будет одновременно пропорционально падать и напряжение на нагрузке.

Так как эта схема также является низкочастотной, трансформатор потребуется аналогичный используемому в инверторе на основе К561ТМ2.

Усовершенствования схем инверторов


Приведенные в статье устройства крайне просты и по ряду функций не могут сравниться с заводскими аналогами . Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к несложным переделкам, которые к тому же позволят лучше понять принципы работы импульсных преобразователей.

Увеличение выходной мощности


Все описанные устройства работают по одному принципу: через ключевой элемент (выходной транзистор плеча) первичная обмотка трансформатора соединяется с входом питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.

Следовательно, ток, протекающий через выходной транзистор, равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Именно максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, и определяет максимальную мощность преобразователя.

Существуют два способа увеличения мощности инвертора: либо применить более мощный транзистор, либо применить параллельное включение нескольких менее мощных транзисторов в одном плече. Для самодельного преобразователя второй способ предпочтительнее, так как позволяет не только применить более дешевые детали, но и сохраняет работоспособность преобразователя при отказе одного из транзисторов. В отсутствие встроенной защиты от перегрузок такое решение значительно повысит надежность самодельного прибора. Уменьшится и нагрев транзисторов при их работе на прежней нагрузке.

На примере последней схемы это будет выглядеть так:

Автоматическое отключение при разряде аккумулятора


Отсутствие в схеме преобразователя устройства, автоматически отключающего его при критическом падении напряжения питания, может серьезно подвести Вас , если оставить такой инвертор подключенным к аккумулятору автомобиля. Дополнить самодельный инвертор автоматическим контролем будет крайне полезно.

Простейший автоматический выключатель нагрузки можно сделать из автомобильного реле:

Как известно, каждое реле имеет определенное напряжение, при котором замыкаются его контакты. Подбором сопротивления резистора R1 (оно будет составлять около 10% от сопротивления обмотки реле) настраивается момент, когда реле разорвет контакты и прекратит подачу тока на инвертор.

ПРИМЕР : Возьмем реле с напряжением срабатывания (U р) 9 вольт и сопротивлением обмотки (R о) 330 ом. Чтобы оно срабатывало при напряжении выше 11 вольт (U min) , последовательно с обмоткой нужно включить резистор с сопротивлением R н, рассчитываемым из условия равенства U р / R о =(U min — U р)/ R н. В нашем случае потребуется резистор на 73 ома, ближайший стандартный номинал – 68 ом.

Конечно, это устройство крайне примитивно и является скорее разминкой для ума. Для более стабильной работы его нужно дополнить несложной схемой управления, которая поддерживает порог отключения гораздо точнее:

Регулировка порога срабатывания осуществляется подбором резистора R3.

Обнаружение неисправностей инвертора


Перечисленные простые схемы имеют две наиболее распространенных неисправности – либо на выходе трансформатора отсутствует напряжение, либо оно слишком мало.

  • Первый случай – это либо одновременный отказ обоих плеч преобразователя, что маловероятно, либо отказ ШИМ-генератора. Для проверки воспользуйтесь светодиодным пробником, какой можно приобрести в любом магазине радиодеталей. Если ШИМ работает, на затворах транзисторов Вы увидите наличие сигнала по быстрым пульсациям свечения диода (особенно хорошо это заметно в низкочастотных схемах). При наличии управляющего сигнала проверьте, нет ли обрывов в соединениях трансформатора и целостность его обмотки.
  • Большое падение напряжения – это явный признак отказа одного из силовых плеч инвертора. Найти отказавший транзистор можно простейшим образом – его радиатор останется холодным. Замена ключа вернет инвертору работоспособность.

Заключение


Как можно понять из материалов статьи, сделать своими руками несложный преобразователь 12 – 220 вольт не так и трудно.

И, хотя такие устройства и не смогут сравниться по набору дополнительных функций или привлекательности внешнего вида с заводскими, они обойдутся хозяину значительно дешевле. При соблюдении правил эксплуатации самодельный преобразователь будет работать очень долго, ведь в таком простом устройстве практически нечему ломаться.

Добавить комментарий