Однотактные импульсные преобразователи

V_out = (V_in/2) 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

      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.

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

      

      Рисунок 13.

      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