125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137

Раздел 16 Импульсные источники питания

Основные импульсные схемы

Преобразователи с трансформаторной развязкой

В автономных источниках питания, предназначенных для работы непосредственно от сети переменного тока, необходимо использовать трансформаторы с целью гальванической развязки нагрузки от сети. Трансформаторы применяются также в источниках питания, где подобная развязка необходима по другим причинам, например в медицинском оборудовании. В Табл. 1.1 приведены диапазоны мощностей и сложность для каждого из типов преобразователей. Любой из них может также применяться и за пределами указанных диапазонов, но в этом случае возрастают трудности при проектировании эффективного источника питания.

Схема

Диапазон мощностей

Относительная сложность

Обратноходовая

1 Вт… 100 Вт

Низкая

Прямоходовая

1 Вт … 200 Вт

Средняя

Двухтактная

200 Вт… 500 Вт

Средняя

Полумостовая

200 Вт … 500 Вт

Высокая

Мостовая

500 Вт … 2000 Вт

Очень высокая

 Таблица 1.1.

Автономный сетевой источник питания по сути представляет собой источник постоянного тока (DC), который питает преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение (DC/DC) с трансформаторной развязкой. Далее в этом разделе мы сфокусируем внимание именно на схемах таких DC/DC преобразователей.

На Рис. 1.7 изображён однотактный обратноходовой преобразователь.

Идеализированная модель однотактного обратноходового преобразователяРис. 1.7. Идеализированная модель однотактного обратноходового преобразователя

Может показаться, что в этом источнике питания использован трансформатор, но на самом деле это дроссель с двумя обмотками. Первичная обмотка дросселя используется для накопления электромагнитной энергии, как в повышающем преобразователе. Обратите внимание, что фазировка обмоток противоположна той, что имеется в обычном трансформаторе. При замкнутом ключе происходит накопление энергии в сердечнике дросселя и во вторичной обмотке ток не течёт. Когда ключ размыкается, начинает течь ток во вторичной обмотке и энергия отдаётся в нагрузку. Напряжение на выходе определяется соотношением витков, как в трансформаторе. Обратноходовой преобразователь является единственным (из работающих непосредственно от сети переменного тока) преобразователем, в котором используется дроссель; во всех остальных применяется трансформатор. Одним из достоинств обратноходового преобразователя является то, что нет необходимости в дополнительном сглаживающем фильтре. Энергия, накопленная в дросселе, «сбрасывается» непосредственно в конденсатор и нагрузку. В этом заключается также и недостаток, потому что в процессе накопления дросселем энергии ток в нагрузку поступает только из конденсатора. Напряжение пульсаций в обратноходовом преобразователе сравнительно велико, что требует применения выходного конденсатора большой ёмкости.

На Рис. 1.8 изображён однотактный прямоходовой преобразователь. Когда ключ замкнут, ток течёт как в цепи первичной, так и в цепи вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки «заряжает» дроссель фильтра, как в понижающем преобразователе.

Идеализированная модель однотактного прямоходового преобразователяРис. 1.8. Идеализированная модель однотактного прямоходового преобразователя

Когда ключ размыкается, ток в дросселе, согласно уравнению (1.1), должен по-прежнему течь. Этому способствует коммутирующий диод D2 во вторичной цепи, который играет ту же роль, что и в понижающем преобразователе.

Реальные трансформаторы обладают ещё и паразитной индуктивностью, которую можно представить в виде дросселя, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Первичный ток, текущий через эту паразитную катушку индуктивности, при размыкании ключа должен в соответствии с уравнением (1.1) продолжать течь. Когда ключ размыкается, ток и первичной, и вторичной обмотки прекращается. Ограничительная обмотка (на схеме слева)
включена противофазно первичной и вторичной обмоткам, поэтому, когда ток в них перестаёт течь и магнитный поток в сердечнике трансформатора уменьшается, начинает течь ток в ограничительной обмотке. Этот ток размагничивает сердечник до остаточного значения магнитной индукции и обеспечивает его готовность к отработке следующего импульса. Ограничительная обмотка играет точно такую же роль, что и вторичная обмотка в обратноходовом преобразователе: она отдаёт энергию паразитной индуктивности обратно в первичный источник питания. Существуют и другие механизмы сброса магнитной индукции в сердечнике, которые будут рассмотрены далее.

На Рис. 1.9 изображён полумостовой преобразователь. Эта схема является высоковольтным аналогом двухтактного каскада транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Идеализированная модель полумостового преобразователяРис. 1.9. Идеализированная модель полумостового преобразователя

Ключи замыкаются по очереди, благодаря чему на первичной обмотке трансформатора формируется двухполярное напряжение. Это обусловливает необходимость использования на выходе двухполупериодного выпрямителя. Ограничительная обмотка трансформатора не нужна, так как протекание тока вторичной обмотки обеспечивается наличием противофазно включённых выходных диодов. Конденсаторы образуют делитель напряжения, задающий на одном из выводов первичной обмотки половину входного напряжения. Эти конденсаторы всегда являются составной частью первичного источника постоянного тока (DC), поэтому они выполняют двойную функцию: делителя напряжения и накопителя заряда.

На Рис. 1.10 изображён мостовой преобразователь. В нём для изменения направления тока через обмотки и магнитного потока в сердечнике используются четыре ключа.

Идеализированная модель мостового преобразователяРис. 1.10. Идеализированная модель мостового преобразователя

На Рис. 1.11 изображён двухтактный преобразователь. Ключи размыкаются и замыкаются со сдвигом по фазе в 180 градусов, как в двухтактном звуковом усилителе класса В. Двухтактные преобразователи редко используются в автономных сетевых источниках питания, поскольку в них необходимо применять высоковольтные транзисторы и очень трудно контролировать поток магнитной индукции в трансформаторе. Современные ШИМ-преобразователи с управлением по току проектируются так, что двухтактные каскады используются в основном в низковольтных цепях.

Идеализированная модель двухтактного преобразователяaРис. 1.11. Идеализированная модель двухтактного преобразователя

125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137