Меню

Преобразователи постоянного напряжения однотактные что такое

Преобразователи постоянного напряжения

В автономной переносной и передвижной радиоаппаратуре, потребляющей сравнительно небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются работающие независимо от внешней сети источники постоянного тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Иногда для функционирования радиоаппаратуры возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.

В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются MOS FET и IGBT транзисторы и тиристоры. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора, соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение Uвых, которое может существенно отличаться от напряжения на входе UBX,, т.е. конвертор — это своеобразный трансформатор постоянного напряжения.

При высоком значении питающего напряжения, а также при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.

По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой импульсные автогенераторы. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

1. Преобразователи с самовозбуждением

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они нашли применение как маломощные автономные источники, электропитания и как задающие генераторы мощных преобразователей, Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением

На вход преобразователя подается постоянное питающее напряжение UBX. В автогенераторе постоянное напряжение преобразуется в напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов.

Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя, после которого на выходе преобразователя (конвертора) получим требуемое по величине и напряжение постоянного тока Uвых. При прямоугольной форме импульсов выпрямленное напряжение по форме близко к постоянному, вследствие чего упрощается сглаживающий фильтр выпрямителя.

2. Однотактный преобразователь напряжения.

В основе работы схемы (рис. 2), как и большинства преобразователей, лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме.

Рис. 2. Однотактный полупроводниковый преобразователь

напряжения с самовозбуждением

В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора ωк, в эмиттерно-базовую цепь — обмотка обратной связи ωб. Поскольку обмотки ωк и ωб размещаются на одном магнитопроводе, то существующая между ними магнитная связь и порядок подключения концов обмоток обеспечивают в итоге положительную обратную связь в автогенераторе.

При подключении источника постоянного тока UBX в цепи коллектора транзистора VT и в обмотке ωк начинает: протекать ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот поток, воздействуя на обмотку обратной связи ωб, наводит в ней ЭДС самоиндукции, причем обмотка ωб включается, относительно обмотки ωк таким образом, чтобы ЭДС, наведенная в ней, еще больше открыла транзистор (для р-п-р транзистора на базе относительно эмиттера создается дополнительное отрицательное напряжение). Когда магнитный поток достигнет насыщения, исчезнут ЭДС и токи в обмотках, появится противо-ЭДС, запирающая транзистор, и процесс начнется сначала. Необходимо отметить, что при открытом транзисторе VT вследствие небольшого значения его внутреннего сопротивления весьма небольшим будет падение напряжения на нем, даже при токе, равном току насыщения. Поэтому в этом случае практически все входное напряжение UBX приложено к первичной коллекторной обмотке трансформатора ωк.

В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора ωк потечет ток, импульсы которого будут иметь почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку трансформатора ωвых трансформируются импульсы той же формы, частоты следования и полярности; эти импульсы используются для получения выпрямленного напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Резистор RРБ в базе транзистора ограничивает ток базы.

Преобразователи описанного типа целесообразно применять при высоком значении выходного напряжения UBЫX и малых токах, в частности, для питания высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках. Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание магнитопровода, обусловленное тем, что ток по коллекторной (первичной) обмотке трансформатора течет только в одном направлении, Постоянное подмагничивание ухудшает условия передачи мощности из первичной обмотки трансформатора во вторичную, и поэтому однотактные автогенераторы используют при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.

Читайте также:  Цвета инертных газов при напряжении

Источник



Однотактные преобразователи напряжения

Однотактные преобразователи напряжения могут быть реализованы с обратным и с прямым включением выпрямительного диода. Схема с обратным включением выпрямительного диода позволяет легко реализовывать DC-DC преобразователи с относительно большим напряжением на выходе. В ряде случаев применение обратноходового преобразователя позволяет уменьшить соотношение витков трансформатора, что позволяет упростить его конструкцию. В то же самое время схема с прямым включением выпрямительного диода лучше подходит для низковольтных преобразователей постоянного напряжения.

В преобразователе напряжения с обратным включением выпрямительного диода сначала происходит накопление энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора, затем осуществляется передача этой энергии в нагрузку. Преобразование энергии магнитного поля в ток вторичной обмотки происходит при запертом транзисторном ключе во втором такте работы схемы. Именно в этот такт работы преобразователя открывается выпрямительный диод, что и определяет название схемы.

Рассмотрим работу однотактного преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода (обратноходового преобразователя) подробнее. Его упрощенная схема приведена на рисунке 1.

упрощенная схема DC-DC преобразователя
Рисунок 1 Однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диода

Временные диаграммы напряжений и токов в схеме однотактного преобразователя напряжения, приведенной на рисунке 1, показаны на рисунке 2.

Временные диаграммы обратноходового преобразователя напряжения
Рисунок 2 Временные диаграммы напряжений и токов в схеме однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диода

Период работы обратноходового преобразователя напряжения можно разбить на три этапа. На первом этапе положительный импульс напряжения открывает транзисторный ключ, собранный на транзисторе VT1. При протекании тока по первичной обмотке трансформатора T1, на его вторичной обмотке наводится напряжение, запирающее выпрямительный диод VD1. При этом в магнитном поле трансформатора T1 происходит накопление энергии. По мере накопления энергии, ток, протекающий через его первичную обмотку и транзистор VT1, нарастает.

На втором этапе транзистор VT1 запирается, при этом ток протекает по вторичной обмотке трансформатора T1. В начальный момент времени он равен току первичной обмотки в конце предыдущего этапа. Затем, по мере расходования энергии магнитного поля ток уменьшается, поэтому ЭДС самоиндукции трансформатора T1 меняет знак на противоположный, выпрямительный диод VD1 открывается и ток вторичной обмотки заряжает конденсатор Cвых.

Третий этап начинается когда ток спадает до такой величины, что закрывается выпрямительный диод VD1. В этот момент возникают колебания паразитного контура, образованного индуктивностью первичной обмотки, межвитковой емкостью и выходной емкостью транзистора VT1. Обычно частоту преобразования выбирают таким образом, чтобы диод VD1 успевал полностью закрыться при максимальном токе потребления, когда длительность первого этапа максимальна. Это позволяет избежать броска тока в первичной обмотке (при востановлении высокого сопротивления выпрямительного диода) и перегрева диода VD1.

В современных преобразователях напряжения (DC-DC преобразователях) в качестве силового ключа обычно используется высоковольтный МДП транзистор. При его выборе, очень важно знать напряжение на его стоке. Это напряжение при применении идеального трансформатора можно определить следующим образом:

На временной диаграмме напряжения на стоке силового транзистора отчетливо виден импульс напряжения в начале второго такта, значительно превышающий рабочее напряжение, описываемое формулой (1). Напряжение этого импульса формируется за счет энергии, запасенной в магнитном поле индуктивности рассеяния трансформатора. Для ограниче

Для подавления этого импульса в схеме, приведенной на рисунке 1, используется демпфирующая цепочка Dcl Rcl Ccl. В ней энергия, запасенная в индуктивности рассеяния, заряжает конденсатор Ccl. Что интересно, то при применении недостаточно быстродействующего диода, такого как S1J фирмы Vishay General Semiconductor, часть этой энергии будет передана в нагрузку во время запирания диода. Тем самым можно немного увеличить к.п.д. преобразователя напряжения с обратным включением выпрямительного диода.

Осциллограмма напряжения на силовом ключе DC-DC преобразователя при применении демпфирующей цепочки на диоде S1J приведена на рисунке 3.

Временная диаграмма напряжения на стоке силового транзистора
Рисунок 3 Временная диаграмма напряжения на первичной обмотке трансформатора T1

В настоящее время для управления преобразователем напряжения обычно используется специализированная микросхема. В качестве примера можно назвать микросхему импульсного стабилизатора напряжения NCV898031 фирмы ON Semiconductor. Ее типовая схема включения в качестве однотактного преобразователя с обратным включением диода приведена на рисунке 4.

Однотактный обратноходовый преобразователь напряжения на микросхеме NCV898031
Рисунок 4 Однотактный преобразователь напряжения на микросхеме NCV898031

внешний вид преобразователя AC 220V TO DC 12V 5A
Рисунок 6 Внешний вид сетевого блока питания 12В 5А

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Режимы работы трансформатора
  6. Дмитрий Макашов Обратноходовой преобразователь 2006
  7. Инструмент выбора микросхем-драйверов DC-DC преобразователей фирмы ON Semiconductor
Читайте также:  Частота приложенного напряжения синусоидального тока

Вместе со статьей «Однотактные преобразователи» читают:

Источник

Однотактные преобразователи напряжения

-однотактные преобразователи с обратным включением диода;

-однотактные преобразователи с прямым включением диода.

К достоинствам однотактных схем преобразования относятся:

· минимальное количество элементов;

· простота схемы управления.

· подмагничивание сердечника трансформатора, за счет того, что ток через трансформатор протекает только в одном направлении. Это влечет за собой небольшой диапазон изменения индукции и плохое использование трансформатора;

· большие габариты фильтра, так как используется однополупериодная схема выпрямления.

Однотактный преобразователь напряжения с обратно включённым диодом (обратноходовой преобразователь) рис. 13.

Преобразователь работает следующим образом. Схема управления задаёт частоту следования импульсов и интервал времени, в течении которого открыт транзистор. Транзистор, работая в ключевом режиме, подключает обмотку w1 к источнику питания на время действия tи и отключает её в паузе между импульсами Т – tи (рис. 15). Во время действия импульса диод закрыт (эквивалентная схема рис. 14), к w1 приложено напряжение питания. В индуктивности намагничивания сердечника накапливается электромагнитная энергия. Через нагрузку протекает ток разрядки конденсатора С. На этом этапе ( во время действия импульса) энергия от источника питания не передаётся в нагрузку, трансформатор выступает в роли индуктивности, в которой накапливается энергия. Для того, чтобы сердечник не насыщался, он выполняется с немагнитным зазором. При закрывании транзистора напряжение на обмотке трансформатора изменяет свою полярность на противоположную скачком. Выпрямительный диод открывается и энергия, накопленная в индуктивности, отдаётся в нагрузку и конденсатор фильтра. Энергия от источника питания на этом этапе не потребляется.

Расчет напряжения на нагрузке проводится исходя из того, что напряжение на индуктивности намагничивания трансформатора во время действия управляющего импульса равно напряжению на ней во время паузы.

здесь Еп – напряжение источника питания, tи – длительность управляющего импульса, Т – период следования импульсов управления, Uн напряжение на нагрузке, n – коэффициент трансформации. Отсюда:

где γ=tи/T – коэффициент заполнения

Зависимость от представлена на рис. 16. Из нее видно, что изменяя длительность импульса управления можно регулировать амплитуду напряжения в нагрузке. Т.е. если в преобразователь добавить схему сравнения и импульсный элемент, то можно получить регулируемый стабилизированный преобразователь.

Приведенный (рис. 14) ток нагрузки равен току через диод и рассчитывается как

Отсюда ток через индуктивность

При расчете исходим из того, что ток в индуктивности изменяется линейно

Для обеспечения режима непрерывного тока, необходимо выполнить условие . Таким образом

При L>Lкр обеспечивается режим непрерывного тока в индуктивности.

Предельные параметры ключа рассчитываются следующим образом:

-максимальный ток коллектора

-максимальное напряжение коллектор эмиттер

Полный размах пульсаций на нагрузке

Диаграммы в режиме прерывистого тока изображены на рис. 17. Режим непрерывного тока является предпочтительным из энергетических соображений. При одинаковой мощности в нагрузке, ток коллектора в режиме непрерывного тока меньше по сравнению с режимом прерывистого тока.

Однотактный преобразователь напряжения с прямым включением диода (прямоходовой преобразователь) рис. 18.

Эквивалентные схемы при открытом (а) и закрытом (б) транзисторе представлены на рис. 19.

Преобразователь работает следующим образом. Схема управления открывает транзистор на время равное tи (рис. 20). К первичной обмотке трансформатора через VT прикладывается напряжение источника питания. От источника питания энергия подаётся в нагрузку. На этом этапе VD1 – закрыт, VD2 – открыт, VD3 – закрыт. Через Lф протекает ток, который протекает через нагрузку и заряжает Сф. После запирания транзистора, напряжение на обмотке трансформатора скачком изменяет полярность на противоположную. Открывается VD1, через него протекает ток размагничивания сердечника трансформатора, энергия, накопленная в Lф, возвращается в источник питания. Во вторичной обмотке трансформатора напряжение на Lф также изменяет полярность на противоположную, ток протекающий через индуктивность замыкается через VD3.

Обмотка предназначена для размагничивания сердечника трансформатора.

Необходимо определить число витков обмоток и . Изменение магнитного потока в сердечнике трансформатора во время действия импульса управления

должно быть равно изменению магнитного потока в сердечнике трансформатора во время паузы

Из энергетических соображений требуется выбирать близкий к 1, так как в этом случае энергия от источника питания потребляется в течение большего времени и требуется выходной фильтр меньших габаритов. Из (15) видно, что для обеспечения этого условия необходимо обеспечить . Однако уменьшение числа витков обмотки размагничивания приводит к увеличению напряжения на коллекторе ключа. Максимальное напряжение на коллекторе вычисляется как

С учетом этих двух условий (15 и 16) выбирают , а =0,5.

Напряжение на индуктивности фильтра во время действия управляющего импульса равно напряжению на индуктивности фильтра во время паузы

Зависимость от отношения показан на рис. 21.

Читайте также:  Ippon не выдает напряжение

Пульсация тока в индуктивности фильтра определяется как

где — частота следования импульсов управления.

Критерием режима непрерывного тока является условие . Т.е.

Если Lф>Lфкр через индуктивность фильтра протекает непрерывный ток.

Максимальное напряжение на коллекторе рассчитывается по формуле (16). Максимальный ток через транзистор определяется сумма тока нагрузки, приращения тока намагничивания трансформатора и приращения тока индуктивности фильтра

Амплитуды переменной составляющей на нагрузке равна

По сравнению с обратноходовым преобразователем преобразователь с прямым включением диода используется для большей мощности в нагрузке.

Достоинство обратноходового преобразователя заключается в его простоте (минимальное количество компонентов, нет дополнительной обмотки трансформатора, нет индуктивности фильтра)и возможности работы при коротком замыкании в нагрузке (транзистор работает только на индуктивность намагничивания сердечника трансформатора, а уже она передает энергию в нагрузку).

2. Методика выполнения лабораторной работы.

· Лабораторная работа выполняется на ПК в среде Micro Cap-8 (MC-8). В работе проводится исследование прямоходового преобразователя (рис. 22), обратноходового преобразователя (рис. 23) и преобразователя с выводом средней точки трансформатора с внешним задающим генератором (рис. 24).

· В схемах прямоходового и обратноходового преобразователей управление силовым транзистором VT, выполненного по технологии MOSFET, осуществляет ШИМ контроллер D1. Он имеет следующие выводы:

— FB – отрицательный вход усилителя ошибки, на положительный вход этого усилителя подано опорное напряжение 2,5 В;

— Comp – выход усилителя ошибки;

— Imax – вход компаратора, отключающего выход при превышении током нагрузки максимального заданного значения. На второй вход компаратора подано опорное напряжение 2,5 В;

— Out – выход, на котором формируются импульсы управления регулирующим транзистором;

— GND – вывод подключения земли.

Делитель напряжения Rup – Rlow передает выходное напряжение на вход усилителя ошибки. Демпфирующие цепочки R1 — C1, R2 — C2 совместно с Cf удерживают схему от возбуждений. RC и RL имитируют паразитные сопротивления выходной емкости и накопительного дросселя. Lmag и Rlm – индуктивность и внутреннее сопротивлении силового трансформатора, Lleak – индуктивность выводов дополнительной обмотки трансформатора в схеме прямоходового преобразователя. В схеме обратноходового преобразователя L – индуктивность рассеивания.

· Форма напряжений и токов контролируется средствами МС — 8.

· Для расчета коэффициента КПД использовать формулу

3. Программа работы

1. Исследовать схему прямоходового преобразователя (рис. 22).

Зарисовать осциллограммы напряжения на затворе транзистора, на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т2, на выходном фильтре и на нагрузке. Определить частоту преобразования.

Зарисовать осциллограммы тока через Lmag, транзистор, VD2, VD3 и L.

Удалить из схемы трансформатор Т1, диод VD1 и индуктивность Lleak. Зарисовать осциллограммы напряжения на на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т2 и тока через Lmag.

2. Исследовать схему обратноходового преобразователя (рис. 23).

Зарисовать осциллограммы напряжения на затворе транзистора, на стоке транзистора, на выходе трансформатора Т и на нагрузке. Определить частоту преобразования.

Зарисовать осциллограммы тока через Lmag, транзистор и VD3.

3. Исследовать схему преобразователя с выводом средней точки трансформатора (рис. 24).

Установить сопротивление нагрузки 200000 Ом, определить коэффициент трансформации.

Установить сопротивление нагрузки 10 Ом. Зарисовать осциллограммы напряжения на затворах транзисторов, на стоках транзисторов и на нагрузке. Определить частоту преобразования. Зарисовать осциллограммы тока через датчики тока.

Снять зависимость сквозного тока через транзисторы от паузы между импульсами управления Im=f(Δt) для Δt: 100, 200и 300 нс.

Снять зависимость сквозного тока через транзисторы от сопротивления нагрузки Im=f(Rн) для Rн: 5, 10, 15 Ом.

Рассчитать КПД для Rн: 5, 10, 15 Ом. Построить полученные зависимости.

4. Контрольные вопросы

1. Классификация преобразователей.

2. Преобразователь с выводом средней точки трансформатора.

3. Мостовой преобразователь.

4. Полумостовой преобразователь.

5. Причины возникновения сквозных токов и способы борьбы с ними.

6. Прямоходовой преобразователь.

7. Обратноходовой преобразователь.

1. Китаев В. Е., Бокуняев А. А. Расчет источников электропитания устройств связи. М.: Связь, 1979. 216 с.

2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

3. Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. М.: горячая линия – телеком, 2001.

4. Готлиб И. М. Источники питании. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. М.: Постмаркет, 2000.

5. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М: Техносфера, 2005. 603 с.

6. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон – Р, 2001.

7. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др.: Под ред. Г. С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986. 576 с.

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 2173 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник