Меню

Все схемы однотактных преобразователей напряжения

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

Читайте также:  Как проверить напряжение мультиметром dt9208a

Зависимость от отношения показан на рис. 21.

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.

Читайте также:  Как пользоваться электронным тестером напряжения

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: 2158 ; Мы поможем в написании вашей работы!

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:  Напряжение конца заряда li ion

Вместе со статьей «Однотактные преобразователи» читают:

Источник

Все схемы однотактных преобразователей напряжения

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Простейшие схемы однотактных преобразователей

Бесплатная техническая библиотека

На рис. 4.7-4.9 приведены довольно простые схемы, которые нередко используются для питания стробоскопической или маломощной люминисцентной лампы в конструкциях, где не предъявляются высокие требования к параметрам, а главным является низкая цена.

Такие устройства могут найти немало и других применений, например, в качестве первичного повышающего напряжение преобразователя для электрошокового устройства. Они позволяют из постоянного напряжения 3. 15 В получать 400 В и более.

Самый простой преобразователь можно выполнить по одноактной схеме. Принцип работы ее основан на свойстве индуктивности накапливать энергию, когда протекает через обмотку ток (при открытом состоянии ключа), а при закрывании ключа — отдавать в нагрузку через вторичную обмотку. Такой режим работы схемы обеспечивается при соответствующей фразировке включения вторичной обмотки. За счет работы преобразователя на повышенной частоте конструкция трансформатора получается малогабаритной.

На рис. 4.7 показана схема преобразователя, выполненного на одном мощном универсальном транзисторе 2N3055 (отечественные аналоги КТ819ГМ, КТ8150А). Подойдут также и другие мощные n-p-n транзисторы с допустимым напряжением Uкэ>80 В и током Iк>2 А. Диод VD1 предохраняет переход эмиттер-база транзистора от воздействия большого обратного напряжения. Этот диод должен быть быстродействующим, например, из серии 1N4007 или КД247. Диод 1N4S4S может быть заменен двумя включенными последовательно диодами КД257Д.

Рис. 4.7. Схема преобразователя для питания стробоскопической лампы

В схеме можно использовать транзистор и другой проводимости. Потребуется только изменить полярность подачи напряжения и включения диода VD1.

Резистор R1 обеспечивает нужное положение рабочей точки транзистора и его величину надо подбирать. Резистор R2 ограничивает ток диода VD2 при зарядке конденсатора С3.

Конденсатор С2 подойдет любой неполярный (от него зависит рабочая частота преобразователя). Лучше выбирать частоту не менее 10. 30 кГц. А если схема будет работать со стробоскопической лампой, конденсатор С3 должен быть рассчитан на длительную работу с большими пульсациями тока, например типа МБМ или взять более современные, изготовленные на основе полистироловой пленки. К78-17,К71-7идр.

Для изготовления трансформатора Т1 подойдет броневой магнитопровод БЗО. Намотка выполняется проводом ПЭЛ. Обмотки 1 и 2 содержат по 18 витков проводом диаметром 0,51 мм (обмотка 1 может быть выполнена более тонким проводом — 0,13 мм), 3 — 350 витков проводом 0,13 мм (число витков во вторичной обмотке зависит от необходимой величины напряжения).

Если от схемы требуется длительная работа, транзистор VT1 должен быть установлен на радиатор.

Схема, показанная на рис. 4.8, является вариантом предыдущей. Она предназначена для питания малогабаритной переносной люминесцентной лампы от 8 батареек АА).

Рис. 4.8. Схема для питания переносной люминесцентной лампы

Трансформатор Т1 имеет следующие намоточные данные: обмотка 1 — 15 витков проводом диаметром 0,14 мм, 2 — 20 витков (0,51 мм), 3 — 350 витков (0,14 мм). Магнитопровод можно взять такой же, как и для схемы, приведенной выше, или от применяемых в цветных телевизорах импульсных трансформаторов.

Однотактный преобразователь можно выполнить и на полевом ключе, как это показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Преобразователь на полевом транзисторе

Делитель из резисторов R1-R2 обеспечивает такое начальное положение рабочей точки на выходной характеристике транзисторов, при которой возникает автогенерация.

Так как все приведенные выше схемы работают при относительно небольших токах, магнитопровод трансформатора обычно не входит в область насыщения и выполнять зазор между сердечниками нет необходимости.

Лучших характеристик от преобразователя удается добиться применением специализированных микросхем.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Комментарии к статье:

Гаврила
Очень хорошая и грамотная статья, а главное коротко и по делу. Побольше бы таких.

Источник