Трансформатор обратного хода что это

Трансформатор обратного хода что это

Помогите понять принцип работы импульсных блоков питания.
Вопросы:

1. Чем больше мощность ИИП, тем больше размеры магнитопровода, это очевидно, но можно ли построить слабый ИИП на здоровом магнитопроводе? Смысла в этом нет, но все-таки, есть ограничение сверху: нужно передавать бОльшую мощность, бери магнитопровод побольше, нужно мало мощности, обязательно брать магнитопровод поменьше?

2. Какой общий принцип выбора количества витков? Нашел ответ
Закон Фарадея: говорит что напряжение на обмотке пропорционально количеству витков.

3. Схема китайского зарядного от мобилы. Что делает дополнительная "первичная" обмотка? У меня есть подозрение, что вот для чего: когда магнитопровод трансформатора намагничивается до отказа, падение напряжения на нем снижается на много вольт, в результате чего ток через транзистор VT1 значительно увеличивается и может его спалить. Я думаю, что эта обмотка предназначена для того, чтобы отследить момент насыщения и закрыть транзистор.

4. Какова скважность импульсов, подаваемых на первичную обмотку? Или это непостоянная величина?

5. Когда какой трансформатор лучше применять: прямоходовый, обратноходовый, и, вроде есть еще двунаправленный(?) ?

Буду очень благодарен, если проясните эти детали. Я не смог найти в интернете нормальной статьи по ИИП для в меру образованных людей: или суперзаумные рецепты, в которых трехэтажные формулы и графики, которых, похоже, даже автор не понимает, или "для дурачков": намотайте 10 витков, потом еще 30 и еще 12, должно работать.

Это справедливо для всех типов преобразователей или только для обратноходовых?
Я не улавливаю причино-следственную связь, зазор как-то помогает избежать насыщения сердечника?

Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы.

Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе?

Схему, кажется, понял. Включаем в сеть, начинает заряжаться С4, зарядившись, открывается транзистор (кстати, зачем ему 1 Ом в эмиттере?), через первичку начинает течь ток, начался импульс. Во вспомогательной обмотке возникает разность потенциалов: плюсик внизу, минус вверху. Благодаря чему начинает заряжаться С3. В какой-то момент напряжение на стабилитроне превышает допустимое и он открывается, сжирая ток, который предназначался для базы транзистора, транз закрывается. Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?!

Что должно произойти, чтобы выгорел транзистор?

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

_________________
Спасение утопающих дело рук самих утопающих.

Это справедливо для всех типов преобразователей или только для обратноходовых?
Я не улавливаю причино-следственную связь, зазор как-то помогает избежать насыщения сердечника?

Чем отличаются прямоходовые от обратноходовых? В смысле, какие преимущества у одних и других? На первый взгляд не вижу никакой разницы.

Двухтактные, надо понимать, это прямоходовые и обратноходовые в одном флаконе?

Схему, кажется, понял. Включаем в сеть, начинает заряжаться С4, зарядившись, открывается транзистор (кстати, зачем ему 1 Ом в эмиттере?), через первичку начинает течь ток, начался импульс. Во вспомогательной обмотке возникает разность потенциалов: плюсик внизу, минус вверху. Благодаря чему начинает заряжаться С3. В какой-то момент напряжение на стабилитроне превышает допустимое и он открывается, сжирая ток, который предназначался для базы транзистора, транз закрывается. Тысяча чертей! Как это можно рассчитать было?!

Формулы для расчета обратноходовых импульсных трансформаторов, особенности

Что представляет собой устройство: составляющие части и принципиальная схема

Одноходовые трансформаторы импульсного типа представляют собой довольно распространенное оборудование. Дело в том, что при относительно малых показателях мощности они обеспечивают оптимально питание устройств.

Главным звеном принципиальной составляющей считают дроссель, выступающий или получателем энергии от первички или передатчиком энергии во вторичку. Именно от функционала дросселя зависит этап работы — первичный или вторичный цикл. Если дроссель подсоединяется к первичной обмотке, то появляется напряжение и ток нарастает равномерно. Энергия поступает в магнитопровод, а ключом считается транзистор. Диод ограничивает вторичная обмотка.

Если задействовать ключ, то ток пропадет на первичке, но дроссельный поток мгновенно изменения не покажет, следовательно, на вторичке образуется уменьшающийся последовательно ток. Именно он питает трансформатор или дроссель устройства. Понятно, что питание за счет энергии от конденсатора происходит на первом этапе. На втором же происходит ее преобразование и падение, которое можно рассчитать. Обычно этапы подачи и спада повторяются интервале от 20 КГц до 1 МГц.

Предлагаемый двухключевой обратноходовой DC/DC-преобразователь

Описание схемного решения

Схема предлагаемого двухключевого обратноходового DC/DC-преобразователя показана на рис. 3. Этот преобразователь состоит из двух управляемых ключей (S1, S2) на мощных МОП-транзисторах, обратноходового трансформатора T, блокирующего диода Db и двух пассивных схем рекуперативного демпфера, которые состоят из двух диодов (D3, D4), двух индуктивностей (Ls1, Ls2), двух конденсаторов (Cs1, Cs2) и диода DP. Диод DP используется для приема энергии от индуктивности рассеивания и передачи ее в конденсаторы Cs1 и Cs2, когда оба ключа выключены, а затем рекуперирует эту энергию на вход Vi. Диод Db вставлен для подавления паразитного резонанса между индуктивностью трансформатора и окружающими его конденсаторами. Кроме того, вставка диода Db обеспечивает переключение при нулевом напряжении для ключей S1 и S2 при их выключении. Таким образом, уменьшенные потери на переключение S1 и S2 компенсируют потери проводимости на диоде Db.

Рис. 3. Предлагаемый двухключевой обратноходовой DC/DC-преобразователь

Принцип работы предлагаемого двухключевого обратноходового DC/DC-преобразователя

На рис. 4 показана работа предлагаемого преобразователя в стационарном режиме, при этом нами сделаны следующие предположения и допущения:

1. Ключи и все компоненты, связанные с коммутацией, являются идеальными.
2. Индуктивности Ls1 и Ls2 равны, Ls1=Ls2=Ls.
3. Конденсаторы Cs1 и Cs2 равны, Cs1=Cs2=Cs.
4. Выходные емкости транзисторов ключей идентичны, Coss1=Coss2=Coss.
5. Пульсации выходного напряжения малы и ими можно пренебречь.
6. Преобразователь работает в режиме DCM. Типичные формы сигналов напряжения и тока для предлагаемой топологии схемы показаны на рис. 5.

Рис. 4. Режимы работы схемы, приведенной на рис. 3

Рис. 5. Основные теоретические формы сигналов предлагаемого преобразователя

Работа этой схемы в установившемся режиме может быть описана следующим образом (для удобства здесь будем использовать термин «режим», в котором описываются те или иные особенности поведения рассматриваемой схемы в определенные промежутки времени):

Режим 1 (t0–t1). В момент времени t0 в соответствии с коэффициентом заполнения D описываемого преобразователя ключи S1 и S2 одновременно включаются при условии нулевого тока. Первичная сторона трансформатора ограничивается на уровне входного напряжения (входной шины напряжения постоянного тока). Ток первичной цепи проходит через ключи S1 и S2 и линейно возрастает. Начинается частичный резонанс контура, образованного индуктивностью Ls и емкостью Cs. Предполагая, что vcs (0) = VP/2, а iLs (0) = 0, уравнения для тока iLS в катушке резонансного контура и напряжения vCS на его конденсаторе в этом режиме работы могут быть выражены как:

где ωs = 1/LSCS — резонансная угловая частота, а ZS = LS/CS — характеристический импеданс контура. С другой стороны, ток через ключи S1 и S2 можно получить из тока первичной стороны трансформатора обратного хода и резонансного тока его индуктивности. Исходя из этих соображений, ток открытого ключа может быть представлен как:

Режим 2 (t1 – t2). Первоначально, при t1, vCS равно –Vi/2, а iLs равно

Диод DP, для того чтобы обеспечить путь для тока рекуперации, открыт. Для восстановления энергии ток iLs протекает через петлю рекуперации, состоящую из диодов D3, D4, DP, индуктивностей Ls1, Ls2 и источника входного напряжения Vi. Соответственно, ток рекуперации может быть представлен как:

Ток первичной стороны обратноходового трансформатора протекает через открытые силовые ключи. При этом напряжение на конденсаторе vcs ограничивается на уровне –Vi/2, а ток рекуперации iLs уменьшается до нуля.

Режим 3 (t2 – t3). В этом режиме индуктивность L1 и индуктивность рассеивания Llk утечки заряжаются линейно от источника входного напряжения Vi. В момент времени t3 пиковый ток первичной стороны трансформатора может быть определен как:

Режим 4 (t3 – t4). В соответствии с коэффициентом заполнения D в момент времени t3 ключи S1 и S2 одновременно выключаются при мягком переключении с нулевым напряжением. При этом диод DP начинает проводить ток, выходная емкость МОП-транзисторов Coss заряжается, а напряжение на ключах линейно увеличивается с определенным наклоном. Напряжение на конденсаторе CS линейно изменяется от –Vi/2 до nVo/2. При этом напряжение на ключах и напряжение vS на конденсаторе CS определяются следующим образом:

Режим 5 (t4 – t5). В момент времени t4 напряжение 2vcs равно nVo, и выходной диод Do начинает проводить ток. Выходной ток постепенно возрастает, и ток индуктивности рассеивания начинает уменьшаться. Из эквивалентной схемы режима 5 уравнения для тока индуктивности ilk рассеивания и напряжения на конденсаторе vC могут быть выражены как:

В момент времени t5 ток ilk падает до нуля, а пиковое напряжение конденсатора CS определяется как:

Подставляя выражения (4) и (9) в уравнение (12), получаем:

Что касается максимального напряжения сток-исток на выключенных МОП-транзисторах ключей S1 и S2, то оно определяется следующим образом:

Режим 6 (t5 – t6). В момент времени t5 ток ilk падает до нуля. Весь оставшийся накопленный в индуктивности рассеивания ток передается на выход. При этом напряжение на первичной стороне трансформатора равно nV0.

Режим 7 (t6 – t7).Ток во вторичной обмотке трансформатора в момент времени t6 уменьшается до нуля. Выходной конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, а ключи S1 и S2 в момент времени t7 включаются, и запускается следующий цикл преобразования энергии.

Энергетические характеристики

Если рассматривать принципиальную схему устройства, то видно, что происходят спады и увеличения в линейном соотношении. Именно качеством и продолжительностью импульсов определяются характеристики выходного напряжения. Проводится модуляция для цепей обратной связи. Энергетические показатели трансформатора такого типа индивидуальны в каждом конкретном случае, но всегда устанавливаются ограничители, ведь прибор работает на максимальной мощности.

В результате этого микросхемы перестают обрабатывать импульсы. Создаются помехи и шумы, которые значительно влияют в негативную сторону на ход работы. Используется специальные модуляторы, которые сокращают энергетические потери импульсного трансформатора.

Обзор транзисторов CoolMOS P7 от Infineon

В отличие от популярного семейства универсальных транзисторов CoolMOS C3, новое семейство CoolMOS P7 разрабатывалось специально для создания обратноходовых преобразователей малой и средней мощности (10…150 Вт). Применение CoolMOS P7 в других типах преобразователей, например, в составе синхронных мостовых и полумостовых схем с жесткими переключениями, не рекомендуется. Вместе с тем новые транзисторы благодаря узкой специализации превосходят конкурентов и предшественников и демонстрируют отличные показатели в целевых приложениях.

В настоящий момент семейство CoolMOS P7 объединяет 15 моделей (рисунок 5, таблица 1):

• с рабочим напряжением 950 В;
• с сопротивлением открытого канала 0,45…3,7 Ом;
• с током стока 2…14 А;
• с импульсным током до 43 А;
• с зарядом затвора от 6 нКл;
• с четырьмя вариантами корпусных исполнений: TO-251, TO-220, DPAK, SOT

Рис. 5. Новое семейство 950 В транзисторов CoolMOS P7 [3]
Таблица 1. Номенклатура и характеристики транзисторов CoolMOS P7 [3]

Наименование	Vси макс., В	Rси вкл. макс., мОм	Iс макс., А	Iс имп. макс., А	Qз, нКл	Корпус
IPA95R450P7XKSA1	950	450	14	43	35	TO-220 FullPAK
IPU95R450P7AKMA1	950	450	14	43	35	IPAK (TO-251)
IPD95R450P7ATMA1	950	450	14	43	35	DPAK (TO-252)
IPU95R750P7AKMA1	950	750	9	27	23	IPAK (TO-251)
IPD95R750P7ATMA1	950	750	9	27	23	DPAK (TO-252)
IPA95R750P7XKSA1	950	750	9	27	23	TO-220 FullPAK
IPA95R1K2P7XKSA1	950	1200	6	16	15	TO-220 FullPAK
IPD95R1K2P7ATMA1	950	1200	6	16	15	DPAK (TO-252)
IPN95R1K2P7ATMA1	950	1200	6	16	15	SOT-223
IPU95R1K2P7AKMA1	950	1200	6	16	15	IPAK (TO-251)
IPU95R2K0P7AKMA1	950	2000	4	10	10	IPAK (TO-251)
IPD95R2K0P7ATMA1	950	2000	4	10	10	DPAK (TO-252)
IPN95R2K0P7ATMA1	950	2000	4	10	10	SOT-223
IPU95R3K7P7AKMA1	950	3700	2	5	6	IPAK (TO-251)
IPN95R3K7P7ATMA1	950	3700	2	5	6	SOT-223

Самым простым способом оценки преимуществ транзисторов CoolMOS P7 будет сравнение их ключевых характеристик с предшественниками CoolMOS C3.

Принцип действия аппарата

Принцип действия устройства основан на импульсной подачи энергии. Оборудование разделяется на две обширных группы: с сигмамодуляцией и импульсной модуляцией. Первые отличаются тем, что они изменяются соотношения продолжительности импульсов с их частотой. Момент выбирается, когда закончится подача энергии и включится транзистор.

Продолжительность функционирования зависит от характеристик выходного напряжения. Если говорить о вариантах с широтно-импульсной модуляцией, то тут частота идентичная и постоянная. Напряжение — характеристика стабильная, определяется оно длительностью импульса к периоду его прохождения.

Также принцип работы определяется тем непрерывный или прерывистый поток магнитного поля установлен. Нельзя сказать, что какой-то из них лучше, просто это определяет вариативность использования.

Любой одноходовый импульсный трансформатор имеет как достоинства, так и недостатки. Среди преимуществ использования выделяют:

• минимальный вес и размеры, если сравнивать с другим видом оборудования, предназначенным для работы с частотой около 50 Гц;
• не нужна защита от короткого замыкания, так как оно произойти теоретически не может;
• сокращение использования меди, в результате чего трансформатор имеет минимальную цену;
• изменение показателей в зависимости от характеристик питающей цепи;
• нет помех, передача туда и обратно исключена из-за конструктивных особенностей.

Но, как и любое другое оборудование, обратноходовый импульсный трансформатор имеет и недостатки. К их числу относятся:

• максимальный запас энергии составляет 200 Вт — показатель ограничен работой дросселя;
• нет возможности работы на холостом ходу, то есть нагрузка подключается в обязательном порядке;
• возникают электромагнитные помехи и передаются, так как они есть в нагрузке, а она нужна.

Так как недостатки не так существенны, если сравнивать их с преимуществами, трансформаторы такого типа пользуются популярностью.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Область применения обратноходового трансформатора

Обратноходовый трансформатор пользуется в ряде случаев, когда требуется питание различной аппаратуры с показателями мощности до 200 Вт. К числу такой относят:

• личные или офисные компьютеры;
• техника, гаджеты и периферия;
• типы сберегающих энергию ламп или системы ламп;
• зарядные устройства для гаджетов и техники.

Трансформаторы обратно хода часто используются в комплекте с другими устройствами. Например, с ними изготовляются конструктивные узлы инверторных источников сварочного аппарата.

Оценка устойчивости CoolMOS P7 к пробою

При выборе силовых ключей в процессе разработки обратноходовых преобразователей обычно учитывают запас по напряжению на уровне 10…20%. К сожалению, в реальных приложениях это не является гарантией отсутствия мощных высоковольтных импульсов, способных пробить транзистор. По этой причине важно правильно оценить степень защиты преобразователя от мощных помех, особенно при отсутствии снабберной цепи. Чтобы упростить жизнь разработчикам, компания Infineon решила внести в документацию ряд дополнительных параметров, характеризующих пробой транзисторов [1]:

• допустимая энергия одиночного импульса EAS;
• допустимая энергия повторяющихся импульсов EAR;
• допустимый ток одиночного импульса IAS.

С допустимым током IAS все относительно просто. Например, если измерительный резистор составляет 0,2 Ом, а напряжение отключения – 0,3 В, то пороговый ток срабатывания защиты составит 1,5 А. Это значение должно быть выше, чем допустимое значение, указанное в документации. В частности, для IPN95R1K2P7 величина IAS составляет 3 А.

При анализе энергии пробоя необходимо знать такие параметры трансформатора как индуктивность намагничивания и индуктивность рассеяния:

½ L × I2 ≤ EA (из документации).

Для расчета энергии повторяющихся импульсов используется индуктивность рассеяния. Например, если ток составляет 1,5 А, а индуктивность рассеяния – 4,5 мкГн, то значение энергии пробоя составит 5,1 мкДж. Для сравнения, у транзисторов IPN95R1K2P7 EAR = 140 мкДж.

При анализе устойчивости к одиночным импульсам следует ориентироваться на худший случай и брать в расчет полную индуктивность трансформатора. Например, если в рассматриваемом примере индуктивность трансформатора составляет 500 мкГн, то энергия пробоя будет равна 562 мкДж. Для сравнения, у транзисторов IPN95R1K2P7 EAS = 11 мДж.

Для чего проводят ручной расчет трансформатора

Расчет преобразователя необходим по ряду причин. В первую очередь следует понимать, что он работает с устройствами с относительно небольшими мощностями, даже минимальное колебание показателя может привести к поломке. Второе — детальный просчет характеристик ручным образом позволит минимизировать помехи и энергетические потери. В результате это экономится бюджет.

Преимущества транзисторов CoolMOS P7

Первое, что бросается в глаза при сравнении характеристик семейств CoolMOS P7 и CoolMOS C3, это повышенное значение пробивного напряжения 950 В для CoolMOS P7. Конечно, рост запаса по напряжению на 50 В является важным преимуществом, особенно при отсутствии снабберной цепи. Однако у новых транзисторов есть и целый ряд других достоинств [1].

Снижение сопротивления открытого канала. Сопротивление открытого канала (Rси) определяет потери проводимости. При этом важно учитывать зависимость Rси от температуры кристалла. Испытания показывают, что CoolMOS C3 демонстрируют более значительный рост Rси при нагреве по сравнению с CoolMOS P7. Более того, при температуре 80°С сопротивление CoolMOS P7 оказывается на 10% меньше (рисунок 6). При температуре 100°С преимущество достигает 15%.

Рис. 6. Сравнение зависимости сопротивлений открытого канала для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Уменьшение энергии включения. В квазирезонансных преобразователях коммутация силовых транзисторов происходит при нулевом токе и минимальном напряжении, что приводит к уменьшению энергии включения Eon почти до нуля. Вместе с тем потери, связанные с Eoss, никуда не исчезают и вносят значительный вклад в общие потери при включении транзистора.
По сравнению с семейством CoolMOS C3, новые транзисторы CoolMOS P7 обеспечивают меньшее значение Eoss при работе с напряжениями выше 50 В (рисунок 7). А при напряжении 400 В преимущество достигает 50%.

Рис. 7. Сравнение энергии Eoss для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Уменьшение заряда затвора. Заряд затвора Qз определяет потери, связанные с управлением силовым транзистором: чем меньше заряд, тем меньше потери. С другой стороны, чем меньше потери, тем выше может быть частота коммутации, и тем компактнее будут габариты преобразователя за счет уменьшения размеров пассивных компонентов (трансформатора, конденсаторов).
При стандартном управляющем напряжении 8 В заряд затвора для CoolMOS P7 оказывается на 50% меньше, чем у CoolMOS C3 (рисунок 8).

Рис. 8. По сравнению с семейством CoolMOS C3, транзисторы CoolMOS P7 отличаются меньшим зарядом затвора [1]
Малое и точное значение порогового напряжения. Пороговое напряжение для транзисторов CoolMOS P7 составляет около 3 В, а его разброс не превышает ±0,5 В (рисунок 9). Это позволяет уменьшить потери мощности на управление за счет снижения напряжения включения.

Рис. 9.Сравнение cток-затворных характеристик CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]
Важным преимуществом CoolMOS P7 становится предсказуемая реакция при возникновении аварийного пробоя.

Как сделать расчет трансформатора однотактного обратноходового источника питания

Расчет самостоятельный необходим. Делается по определенному алгоритму. Начинается процесс с определения минимальных и максимальных значений тока, затем происходит расчет емкости конденсатора и трансформаторов. Отдельно подбираются конструктивные узды и диоды, а в самом конце рассчитывается коэффициент полезного действия трансформатора.

Определение максимального и минимального значений выпрямленного сетевого напряжения

Есть формулы для max выпрямленного сетевого U: квадратный корень из двух, умноженный на U максимального значения сети. Равняется показатель 226 для этого случая. Минимальный — квадратный корень из двух, умноженный на U минимально значения напряжения минус 2, умноженное на U прямого падения напряжения.

Выбор выпрямительных диодов

Расчет обратного показателя элементарный — он равен максимуму, который прописан выше, а именно — 226 В. Стандартная схема — U н *I н /2 U входного мин. *n,

где U н — напряжение нагрузки среднее, I н — ток нагрузки, а n – коэффициент преобразователя (принимается равным около 0,9).

Стандартно показатели для случая I пр. max = 10 A; U ОБР. MAX = 560 В.

Расчет емкости конденсатора

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле: 0,5* U н* I н/n* U сети мин.*f сети*m* U, f сети представляет собой частоты в 400 Гр, где m – полупериоды на транзит показателя U.

Расчет максимального коэффициента заполнения

Максимум данный показатель просчитывается как дробь, в верхней части которой находится значение напряжения дополнительное (которое образовалось в закрытом состоянии после передачи энергии на нагрузку), в в нижней сумма дополненного напряжения с разностью входного U min и падающего на транзисторе трансформатора.

Причина ограничения рабочего диапазона в обычном двухключевом обратноходовом DC/DC-преобразователе

В режиме непрерывных токов (continuous conduction mode, CCM), когда ток через индуктивность не падает до нуля, выходное напряжение схемы, приведенной на рис. 1, определяется следующим выражением:

где n — коэффициент трансформации трансформатора, а D — коэффициент заполнения.

Если эффективность обратноходового преобразователя равна единице, то выходная мощность в режиме прерывистых токов (discontinuous conduction mode, DCM) может быть выражена как:

где L1 — индуктивность первичной обмотки; Ip — пиковый ток в обмотке L1; fs — рабочая частота преобразования; Rо — сопротивление нагрузки; D — коэффициент заполнения; Ts — период переключения.

Из уравнения (2) и (3) выходное напряжение в режиме DCM определяется как:

На рис. 1 оба ключа включаются и выключаются одновременно, как и в двухключевом прямоходовом преобразователе (не путайте с двухтактным: там ключи переключаются поочередно!). Работу обратноходового трансформатора проще и понятнее всего описать на примере решения с двумя обмотками. Энергия в таком трансформаторе подается на его первичную обмотку, когда ключи первичной цепи S1 и S2 открыты; затем, когда ключи разомкнуты, энергия выделяется на вторичной обмотке трансформатора. Это происходит в случае, если отраженное в первичную обмотку трансформатора напряжение nVo оказывается ниже входного напряжения Vi преобразователя. Однако эта энергия также возвращается на входную шину, если nVo выше Vi (рис. 2). Но в обычной двухключевой топологии, для того чтобы перенести накопленную в сердечнике энергию во вторичную цепь, в установившемся состоянии nVo должно быть ниже Vi. Следовательно, из формул (1) и (4) ограничения в рабочем диапазоне схемы, приведенной на рис. 1, могут быть рассчитаны как:

D< 0,5 для режима CCM,

Рис. 2. Режим возврата накопленной энергии в схеме, представленной на рис. 1, в условиях nVo>Vi

Расчет трансформатора

Зная, как вычислить максимальный ток обмотки и коэффициент трансформации, количество витков проводится расчет трансформатора. Расчет тс позволяет вычислить оптимальный показатель диаметра проводов обмотки первичной и вторичной, чтоб соблюдались необходимые условия.

Для упрощения работы создают табличную форму, куда вписывают данные об обмотках и допустимой их плотности. Опираясь на данные подбирают толщину и наименование. На этом этапе потери тс в целом принимаются равными потерям обмоток.

Выбираем транзистор VT1

Путем опытных расчетов и выявления максимум напряжения для стандартного случая используют КП809Б1 с показателями 500 В, 25 А. Потери в нем равны сумме общих — не более 6,7 Вт.

Выбор выпрямительного диода VD9

Принимаем во внимание, что I VD9 = I 2 = 10,8 А. U обр. макс=3,5 кВ, соединяются последовательным образом. Падание напряжения 1В.

Выбор элементов узла управления

Напряжение запуска — 16 В, R7=67 кОм, R 9= 2,2 кОм, R 12=22 Ом. Мощность вычисляется по номиналу и выходному току схемы.

Расчет демпфирующей цепи

Ls принимаем 1,5 мкГн. Выбрав ОМБГ-1 с емкостью 0,5 мкф, то сопротивление резистора составит 140 В. Резистор подбирается по формуле E LS(энергия индуктивности) =E CД (поглощения цепи) =Е С13.

Данные экспериментальной проверки прототипа предлагаемого решения

Начальные условия для создания прототипа

Для выбора и гарантирования оптимальных параметров рассматриваемого обратноходового преобразователя нам необходимо соблюдать некоторые практические условия. Для достижения нулевого напряжения при переключении, когда ключи S1 и S2 выключены, напряжение VP должно быть выше напряжения Vi. Используя формулу (13), эти условия задаем как:

Минимальное время включения МОП-транзисторов ключей S1 и S2 должно быть больше, чем полный разрядный цикл конденсаторов Cs1 и Cs2:

Из (10) максимальная скорость нарастания напряжения dv/dt при выключении МОП-транзисторов ключей S1 и S2 должна быть не более

Наконец, из (7) максимальная скорость нарастания тока di/dt при включении МОП-транзисторов ключей S1 и S2 должна быть равна

Экспериментальная плата

Для того чтобы определить целесообразность практического применения предлагаемого двухключевого обратноходового преобразователя, прототип схемы которого показан на рис. 3, была выполнена его практическая реализация со следующими условиями:

• входное напряжение шины напряжения постоянного тока: 200 В;
• выходное напряжение: 80 В.

Далее приведены параметры и компоненты схемы, используемые в эксперименте: рабочая частота fs = 35 кГц, n = 2,4, индуктивность первичной обмотки обратноходового трансформатора L1 = 1,33 мГн, индуктивность рассеивания Llk = 38 мкГн, номинальная емкость конденсаторов Cs1 = Cs2 = 4,4 нФ, индуктивность Ls1 = Ls2 = 200 мкГн. В качестве силовых ключей S1 и S2 используются транзисторы IRF840. В качестве диодов Db, D3 и D4 выбраны диоды DSEI 12-06A. В качестве диодов Do и Dp используются диоды DSEI 30-10A.

Рис. 6. Практическая реализация индуктивностей Ls1 и Ls2

На рис. 6 показана комбинированная индуктивность, примененная для реализации индуктивностей Ls1 и Ls2. Первичная и вторичная индуктивности связанной катушки — для эффективного достижения необходимых для данного эксперимента двух катушек индуктивности по 200 мкГн — составляют 100 мкГн соответственно. Схема управления показана на рис. 7. Для управления двумя МОП-транзисторами ключей S1, S2 используются сигналы управления заторами Vg1, Vg2.

Рис. 7. Схема управления и соответствующие ей диаграммы

Полученные в ходе практической реализации формы напряжения и тока силового МОП-транзистора ключа S2 для коэффициента заполнения D = 0,41 показаны на рис. 8. Из уравнений (9) и (12) ток IP первичной обмотки трансформатора и пиковое напряжение VP на конденсаторе Cs1 составляют 1,76 А и 423 В соответственно. Из уравнения (14) максимальное напряжение на выключенном МОП-транзисторе ключа S2 в данных начальных условиях составляет 311,5 В.

Рис. 8. Экспериментально полученные диаграммы токов и напряжений: s2v (100 В/дел) и is2 (1 A/дел); развертка: 2,5 мкс/дел

Из экспериментально полученных временных диаграмм видно, что транзистор ключа открывается при условии нулевого тока и выключается при условии нулевого напряжения, что хорошо согласуется с теоретическими выкладками.

Рис. 9. Экспериментально полученные диаграммы токов и напряжений: vcs2 (100 В/дел.) и IDp (1 A/дел.): развертка: 5 мкс/дел.

Напряжение на конденсаторе Cs2 и ток через Dp, измеренные на экспериментальной плате прототипа двухключевого обратноходового преобразователя, проиллюстрированы на рис. 9. Из рис. 5 теоретические пиковые положительные и отрицательные значения vcs2 равны 211,5 В (то есть VP/2) и –100 В (то есть –Vi/2) соответственно. Что касается тока рекуперации, из формы сигнала iDp мы можем видеть, то этот ток возникает после достижения напряжения vcs2 уровня –100 В. На рис. 10 показаны реальные формы напряжения vcs2 и тока iLs2. Согласно уравнению (6) импеданс резонансного контура Zs равен 213 Ом, а пиковое значение резонансного тока соответственно равно 0,99 А.

Рис. 10. Экспериментально полученные диаграммы токов и напряжений: vcs2 (100 В/дел.) и iLs2 (1 A/дел.); развертка: 5 мкс/дел.

На рис. 11 показаны экспериментально полученные диаграммы напряжений на МОП-транзисторах ключей S1, S2 и конденсаторах Cs1, Cs2. Из этих данных можно проверить, что напряжения vs1 и vcs1 идентичны соответственно напряжениям vs2 и vcs2.

Рис. 11. Экспериментально полученные диаграммы напряжений: vs1 и vs2 (100 В/дел.) (а); vcs1 и vcs2 (100 В/дел.); развертка: 5 мкс/дел.

На рис. 12 показано напряжение на МОП-транзисторе ключа S2 и ток через выходной диод Do. Эти экспериментальные результаты также подтверждают теоретические формы колебаний, показанные на рис. 5.

Рис. 12. Экспериментально полученные диаграммы токов и напряжений: vs2 (100 В/дел.) и iDo (2 A/дел.); развертка: 5 мкс/дел.

На рис. 13 представлена фактически измеренная эффективность (КПД) предлагаемой двухключевой схемы обратноходового преобразователя в зависимости от его нагрузки (выходной мощности). Максимальный КПД разработанного прототипа обратноходового преобразователя составляет 92,5%.

Рис. 13. Измеренная зависимость КПД прототипа двухключевого обратноходового преобразователя от выходной мощности. Условия измерения: Vi = 200 В, Vo = 80 В

Кроме того, на рис. 14 показаны экспериментально полученные формы входного напряжения и потребляемого преобразователем тока. Измеренный входной коэффициент мощности составляет 0,98, что является достаточно высоким показателем и не требует применения корректора коэффициента мощности. Это, несомненно, еще одно преимущество рассматриваемой топологии обратноходового преобразователя.

Рис. 14. Формы входного напряжения и потребляемого тока прототипа двухключевого обратноходового преобразователя. Внешняя трасса — напряжение питающей сети переменного тока v в масштабе 100 В/дел.; внутренняя трасса — потребляемый ток от питающей сети переменного тока i в масштабе 0,2 A/дел.; развертка: 5 мс/дел.

Немного истории

Импульсные источники питания начали развиваться параллельно трансформаторным с 40-х годов прошлого века. Но производство ИИП приостановилось, потому что оно было дорогим, а сами источники получались сложными и громоздкими.

Под конец XX века с развитием транзисторов и интегральных схем, импульсная схемотехника воскресла. В 2021 году каждый житель планеты пользуется устройствами на импульсной схемотехнике. Это обыкновенные зарядки для телефонов всех мастей, телевизоры, компьютеры, светодиодные лампочки, источники бесперебойного питания… список можно продолжать бесконечно.

Что такое обратноходовой трансформатор?

Трансформатор обратного хода является основным компонентом преобразователя обратного хода, который генерирует высокое напряжение, обычно в устройства с электронно-лучевой трубкой, такие как телевизоры и осциллографы. Он основан на быстром заднем фронте сигнала горизонтальной развертки. Этот трансформатор способен генерировать десятки тысяч вольт постоянного тока (В постоянного тока) за счет достаточно высокой звуковой частоты каскада горизонтального отклонения луча. По сравнению с другими линейными выходными трансформаторами обратноходовой трансформатор предъявляет самые высокие требования к высоковольтной изоляции. Внутренняя структура трансформатора обратного хода должна быть защищена от влажности и иметь правильное расстояние между частями слоев обмотки с приподнятыми перепады напряжения.

обратноходовой трансформатор

Этот тип трансформатора относится к категории электрических трансформаторов, но, в отличие от обычных силовых трансформаторов, обратноходовой трансформатор генерирует высокое напряжение во вторичной обмотке. Высоковольтные полупроводниковые выпрямители используются с трансформатором обратного хода для выработки высокого напряжения. Электрические трансформаторы генерируют напряжение выше или ниже или такое же, как на входе. Трансформатор может повышать, понижать или просто изолировать входное напряжение от выходного. Входное напряжение в трансформаторе преобразуется в магнитное поле, а выходное напряжение генерируется периодически схлопывающимся магнитным полем.

обратноходовой трансформатор

импеданс трансформатора обратного хода представляет собой комбинацию сопротивления и реактивного сопротивления, чувствительного к частоте, из-за действия конденсаторы и катушки индуктивности. Сопротивление постоянному току (DC) можно измерить с помощью обычного омметра, который работает от низковольтного источника постоянного тока, такого как 1,5-вольтовые (V) батареи. Импеданс зависит от частоты; звуковое сопротивление динамика, например, относится к звуковому диапазону от примерно 100 циклов в секунду (cps) до примерно 20 000 герц (Гц). Линейный выходной трансформатор используется для питания, аудио и других приложений, требующих изоляции и согласования импеданса. Для аудио линейный выходной трансформатор может иметь высокое сопротивление первичной обмотки, например 3000 Ом, в то время как сопротивление вторичной обмотки может соответствовать импедансу акустической системы, обычно в диапазоне от 2 до 8 Ом.

В схемах лампового типа используются линейные выходные трансформаторы с импедансом первичной обмотки около 10 000 Ом. . Это приводит к использованию такого количества витков тонкого магнитного провода в трансформаторах для ламповых цепей. Более высокие напряжения, используемые для ламповых цепей, заставляют конструкцию трансформатора обратного хода в значительной степени зависеть от хорошего изоляционного материала между слоями обмотки. Избегают повышенной влажности при хранении и использовании изоляционных лент и досок, используемых для разделения слоев обмоток. Эти материалы также способны сохранять теплоизоляцию даже при повышенных температурах, возникающих при нормальной эксплуатации.

Трансформатор обратного хода что это

Рассматривая работу блокинг-генератора, трудно не заметить явного сходства в его функционировании и функционировании импульсного обратноходового преобразователя напряжения. И там, и там имеется ключевой элемент (транзистор), периодически подключающий индуктивность к источнику напряжения, за счёт которого индуктивность накапливает энергию. Затем, когда ключевой элемент размыкает цепь, накопленная в индуктивности энергия передаётся в нагрузку (или рассеивается демпферной цепью в случае блокинг-генератора без нагрузки).

Поскольку процессы в блокинг-генераторе аналогичны процессам в обратноходовом преобразователе и для построения блокинг-генератора нужен всего лишь один транзистор, возникает соблазн построить однотранзисторный импульсный источник питания, который был бы предельно простым и дешёвым.

Импульсные источники питания, построенные на основе блокинг-генератора по однотранзисторной схеме, действительно существуют. Например, подобные устройства можно обнаружить среди "зарядных устройств" низшей ценовой категории для сотовых телефонов.

В стремлении до предела снизить стоимость, разработчики подобных устройств не ограничиваются использованием самой простой схемы преобразования на основе блокинг-генератора. Также становятся "жертвами оптимизации" другие, вспомогательные, но важные для импульсных источников питания узлы. Выпрямитель сетевого напряжения в таком источнике питания может быть построен по однополупериодной схеме, а не по мостовой (что даёт экономию в 3 диода); обычно полностью отсутствуют компоненты фильтрации электромагнитных помех; нет защиты от броска тока при включении; отсутствуют средства защиты от перегрузки и короткого замыкания (на входе и выходе), перенапряжения на выходе, перегрева; источник не защищается от всплесков напряжения в сети. Так что, в целом, получается простая и дешёвая схема, но с крайне скромными характеристиками и невысокой надёжностью. Тем не менее, она достаточно интересна и достойна подробного рассмотрения, чем далее и займёмся.

Смотрите также
Блокинг-генератор
Принцип действия блокинг-генератора
Зарядное устройство AMT Style

Введение

Блокинг-генератор может использоваться как в повышающих преобразователях (допустим, в устройствах с батарейным питанием, если устройству для работы требуется высокое напряжение), так и в понижающих (например, в источниках питания, работающих от сети). Здесь преимущественно будем рассматривать второй вариант, хотя основные идеи применимы и для повышающих преобразователей. Причём, основное внимание уделим общим вопросам, не останавливаясь на второстепенных деталях, вроде выпрямления сетевого напряжения, дополнительной стабилизации выходного напряжения или использовании элементов фильтрации и защиты (эти вопросы отчасти обсуждаются при рассмотрении конкретных образцов источников). То есть, перед нами стоит следующая задача. Сетевое напряжение тем или иным образом уже выпрямлено, пульсации сглажены и мы, таким образом, имеем источник постоянного напряжения величиной порядка 320 В (320 В — амплитудное значение, примерно соответствующее действующему сетевому напряжению 230 В). Требуется преобразовать его с помощью блокинг-генератора в постоянное низкое напряжение, обычно находящееся в пределах 5. 10 В.

Начнём с рассмотрения принципов работы импульсного обратноходового преобразователя напряжения (на основе блокинг-генератора проще всего реализовать обратноходовой преобразователь), чтобы не отвлекаться на специфику работы блокинг-генератора и не загромождать изложение излишними деталями. И уже затем перейдём к вопросу построения импульсного преобразователя на основе блокинг-генератора.

Принцип работы обратноходового преобразователя

Упрощённая схема трансформаторного импульсного обратноходового преобразователя изображена на рисунке %img:fbc0.

Рис. %img:fbc0

Кратко принцип работы преобразователя можно описать следующим образом (поясняющие диаграммы изображены на рис. %img:fbd1). Когда ключ Q1 замыкается, индуктивность L1 (первичная обмотка трансформатора T1) оказывается подключена к источнику напряжения V1. В результате ток через L1 начинает линейно возрастать, а трансформатор * T1 при этом накапливает энергию, получаемую от источника напряжения V1. В это время на вторичной обмотке L2 трансформатора индуцируется напряжение, являющееся запирающим для выпрямительного диода D1. Ток через диод, а значит, и через вторичную обмотку практически отсутствует. Нагрузка питается за счёт сглаживающего конденсатора C1. Продолжительность описанного этапа в работе преобразователя, который также называют прямым ходом, обозначим τ₁.

* Примечание. Строго говоря, T1 здесь — не трансформатор, а дроссель, имеющий несколько (в данном случае две) индуктивно связанных обмоток. Для трансформатора накопление энергии — побочный процесс, в идеале энергия не накапливается, а сразу передаётся от одной обмотки к другой. В случае дросселя накопление энергии принципиально. Кстати, поскольку передаваемая в нагрузку мощность зависит от величины запасаемой дросселем энергии, которая определяется параметрами сердечника, то размеры дросселя могут оказаться заметно больше размеров аналогичного по мощности трансформатора, которому не требуется запасание энергии, а лимитирующим фактором, прежде всего, являются потери в обмотках.

Обратный ход начинается, когда ключ Q1 размыкается. Ток в первичной обмотке L1 при разомкнутом ключе равен нулю. Накопленную энергию трансформатор отдаёт через обмотку L2. Убывающий магнитный поток в сердечнике трансформатора индуцирует напряжения на обмотках с полярностью, которая противоположна полярности во время прямого хода. Поэтому диод D1 открывается, и запасённая трансформатором энергия расходуется на пополнение энергии конденсатора C1. Ёмкость конденсатора выбирают достаточно большой, чтобы за один цикл работы преобразователя, напряжение на нём изменялось незначительно и могло за время обратного хода считаться практически неизменным. Если пренебречь небольшим падением напряжения на открытом диоде D1, то напряжение на L2 во время обратного хода определяется напряжением на C1, т.е. также может считаться неизменным. А значит, ток через L2 во время обратного хода будет изменяться линейно (линейно убывать). Длительность обратного хода обозначим как τ₂.

Рис. %img:fbd1. Графики величин (сверху вниз): ток в первичной обмотке (I_L1); ток во вторичной обмотке (I_L2); напряжение на ключе (V_CE); напряжение на первичной обмотке (V_L1)

После завершения стадии обратного хода, преобразователь может некоторое время (τ₃) оставаться в состоянии покоя (ключ разомкнут, токи в обмотках трансформатора отсутствуют). Состояние покоя обязательно присутствует при использовании ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления средней мощностью, передаваемой в нагрузку. В этом случае мы управляем длительностью прямого хода, тем самым одновременно определяя и длительность обратного хода. А так как при ШИМ частота импульсов, т.е. период одного цикла работы преобразователя не изменяется, то оставшееся время до конца периода после завершения прямого и обратного хода, образует интервал пребывания преобразователя в состоянии покоя. Интервал будет нулевым только в предельном режиме работы с ШИМ, когда передаваемая в нагрузку мощность максимальна.

Когда используется блокинг-генератор в качестве импульсного преобразователя напряжения, ситуация несколько иная. Для блокинг-генератора характерно нулевое значение τ₃, что связано с особенностями функционирования генератора: в нём, при работе в режиме L-генератора, завершение обратного хода приводит к автоматическому запуску прямого хода. Управление передаваемой в нагрузку мощностью здесь происходит не посредством ШИМ, а с использованием комбинации частотно-импульсной модуляции и ШИМ: мы изменяем длительность прямого хода, одновременно с этим меняется длительность обратного хода, при этом изменяется и равный их сумме период полного цикла работы преобразователя (частота импульсов не фиксирована).

Далее приведены графики, поясняющие процессы в преобразователе при нулевой длительности τ₃.

Рис. %img:fbd2. Процессы в обратноходовом преобразователе при нулевом τ₃

Теперь рассмотрим процессы в преобразователе немного подробнее.

1. Прямой ход.
Когда ключ Q1 замкнут, напряжение на нём считаем нулевым, $$ u_q=0, $$ тогда напряжение на первичной обмотке L1 трансформатора T1, которую замкнутый ключ подключает к источнику напряжения V1, очевидно, $$ u_1 = V_1. $$ В (идеальной) индуктивности, подключённой к источнику постоянного напряжения, ток изменяется по линейному закону; в начальный момент ток нулевой, так что $$ i_1 = \frac t. $$ По мере роста тока через индуктивность, увеличивается и запасённая трансформатором энергия (получаемая от источника), которая может быть вычислена как $$ W = \frac 2. $$ Если длительность прямого хода составляет τ₁, то максимальное значение, которого достигнет ток через L1: $$ \begin I_ = \frac _1> . \label \end $$

Во время прямого хода на вторичной обмотке L2 трансформатора индуцируется напряжение $$ u_2 = u_1 / n = V_1 / n, $$ где n — коэффициент трансформации, который может быть найден как отношение количества витков N₁ в первичной к количеству витков N₂ во вторичной обмотке, $$ n = N_1 / N_2. $$ А так как индуктивность обмотки пропорциональна квадрату количества витков, коэффициент трансформации также может быть выражен как $$ \begin n = \sqrt . \label \end $$

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора во время прямого тока является запирающим для выпрямляющего диода D1, диод закрыт и напряжение на нём равно $$ u_ = -(V_2 + V_1 / n). $$ При закрытом диоде, ток через него, а значит, и через обмотку L2 практически отсутствует, $$ i_2 = 0. $$ Нагрузка в это время питается за счёт сглаживающего конденсатора C1.

2. Обратный ход
Начинается с размыкания ключа Q1. Ток в первичной обмотке L1 при разомкнутом ключе отсутствует, $$ i_1 = 0. $$ Возврат накопленной трансформатором энергии происходит через вторичную обмотку L2. Магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает убывать, поэтому индуцируемое на обмотках напряжение меняет полярность на противоположную по отношению к той, которая была во время прямого хода. Это означает, что выпрямительный диод D1 открывается и энергия, накопленная трансформатором, расходуется на заряд сглаживающего конденсатора C1. Для минимизации пульсаций, ёмкость конденсатора C1 выбирается достаточно большой для того, чтобы за один цикл работы преобразователя, напряжение на конденсаторе изменялось незначительно. Тогда, пренебрегая небольшим падением напряжения на открытом диоде, получаем, что конденсатор во время обратного хода фиксирует напряжение на вторичной обмотке на практически неизменном уровне V₂. С учётом выбранных положительных направлений отсчёта токов и напряжений, $$ u_2 = — V_2. $$ Вновь получаем ситуацию, когда имеем цепь из индуктивности (теперь это L2), подключённой к источнику с неизменным напряжением (напряжение V₂ на C1), следовательно, ток в индуктивности будет изменяться по линейному закону. Поскольку ток индуктивности L2 направлен от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом (нижняя по схеме обкладка конденсатора C1 заряжена положительно), то ток будет убывать. Максимальным ток будет в начальный момент обратного хода. Определить максимальный ток можно, например, из закона сохранения энергии: $$ \frac > 2 = \frac > 2, $$ $$ \begin I_ = I_ \sqrt <\frac > = n I_. \label \end $$ Кстати, то же самое могли бы получить и, исходя из того, что магнитный поток в сердечнике трансформатора непрерывен как функция времени (не может измениться скачкообразно).

В итоге, если за начальный момент принять начало обратного хода, получим следующее выражение для тока через L2 во время обратного хода: $$ i_2 = I_ — \frac t. $$ Из условия $$ i_2(<\tau>_2) = 0, $$ определяем длительность обратного хода: $$ <\tau>_2 = \frac L_2> . $$ Подставляя сюда выражение для максимального тока во вторичной обмотке \eqref, учитывая также \eqref и \eqref, выразим длительность обратного хода следующим образом: $$ <\tau>_2 = \frac n I_ = \frac n \frac <\tau>_1 = \\ = <\tau>_1 \frac \frac n = \\ = <\tau>_1 \frac \frac 1 n. $$ Отсюда получаем, что соотношение между длительностью обратного и прямого хода определяется соотношением между входным и выходным напряжением и коэффициентом трансформации трансформатора: $$ \frac <<\tau>_2> <<\tau>_1> = \frac \frac 1 n. $$

По известному напряжению на вторичной обмотке, определяем напряжение во время обратного хода на первичной обмотке: $$ u_1 = n u_2 = — n V_2. $$ Тогда напряжение на закрытом ключе составит $$ u_q = V_1 + n V_2. $$

Интересно, что выходное напряжение преобразователя не зависит от коэффициента трансформации n трансформатора T1. Каково бы ни было выходное напряжение (т.е. напряжение на конденсаторе C1), трансформатор во время обратного хода всё равно отдаст запасённую энергию конденсатору, увеличив энергию конденсатора и немного увеличив напряжение на нём. Просто, чем больше напряжение на конденсаторе, тем импульс напряжения на обмотке будет больше по амплитуде и меньше по длительности. В итоге, если средняя мощность, передаваемая трансформатором, превышает среднюю мощность, потребляемую нагрузкой, напряжение на конденсаторе будет расти. Если передаваемая мощность меньше потребляемой — выходное напряжение будет снижаться. Для обеспечения постоянства выходного напряжения, для его стабилизации на заданном уровне, необходима цепь отрицательной обратной связи, за счёт которой происходило бы управление передаваемой через трансформатор мощностью.

Цепь обратной связи должна обеспечивать гальваническую развязку для того, чтобы была обеспечена развязка между выходом преобразователя и питающей сетью. Наиболее популярны два решения: с использованием оптрона и с использованием одной из обмоток трансформатора (это может быть дополнительная вспомогательная обмотка или даже сама первичная обмотка). Более простым вариантом является использование обмотки трансформатора. Как мы выяснили, напряжение на вторичной обмотке L2 во время обратного хода по абсолютной величине практически равно выходному напряжению источника. Но напряжения на всех обмотках трансформатора пропорциональны, поэтому измерив (с помощью какого либо пикового детектора) величину импульса во время обратного хода на любой обмотке, назовём её измерительной, и, зная соотношение между количествами витков в обмотке L2 и измерительной обмотке, определим тем самым выходное напряжение преобразователя.

Недостаток описанного способа — ограниченная точность из-за наличия падений напряжения на диоде и внутреннем сопротивлении обмотки и зависимости их от величины тока нагрузки. Большую точность можно получить, применяя вариант с оптроном.

Возможность получить требуемое выходное напряжение при любом значении коэффициента трансформации не означает, что n выбирается произвольно. Напротив, от правильного выбора коэффициента трансформации зависит очень многое. Это и соотношение между длительностью прямого и обратного хода, $$ \frac <<\tau>_2> <<\tau>_1> = \frac \frac 1 n, $$ и амплитуда обратного напряжения на диоде, $$ V_ = V_2 + V_1 / n, $$ и пиковое напряжение на закрытом ключе, $$ V_q = V_1 + n V_2. $$ Чем больше коэффициент трансформации (чем более "понижающим" является трансформатор), тем меньше будет длительность обратного хода (это выгодно, так как увеличивается доля времени на накопление энергии, а значит, трансформатор используется более полно по мощности) и меньше будет амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде (что тоже выгодно). Но, увеличивая n, вместе с тем увеличиваем пиковое напряжение на ключе (максимальная допустимая величина ограничена параметрами используемого ключа).

Наоборот, уменьшая n, увеличиваем время обратного хода по сравнению со временем прямого хода (это не выгодно, так как трансформатор не полностью используется по мощности), увеличиваем амплитуду обратного напряжения на диоде (требует использования рассчитанного на большее напряжение диода, а значит, более дорогого и, возможно, с большими потерями в открытом состоянии). Кроме того, для увеличения коэффициента трансформации требуется увеличивать количество витков во вторичной обмотке, тем самым увеличивая ёё размер и размер трансформатора в целом. Но, с другой стороны, уменьшается пиковое напряжение на ключе, что благоприятно сказывается на его режиме работы. Таким образом, окончательный выбор n является компромиссным решением, принимаемым с учётом всех перечисленных соображений.

Блокинг-генератор как обратноходовой преобразователь

Типовая схема блокинг-генератора, используемого в качестве основы для импульсных источников питания, имеет следующий вид (рис. %img:bo; на схеме также указаны ориентировочные номиналы элементов для источника мощностью до 5 Вт с выходным напряжением порядка 5 В).

Рис. %img:bo

Данная схема скорее ближе к L-генератору, чем к обычному блокинг-генератору, подробнее об этом смотрите "Принцип действия блокинг-генератора".

Для подключения нагрузки, здесь, по сравнению с обычным блокинг-генератором, появляется ещё одна вторичная обмотка (L3) трансформатора, к которой подключён выпрямитель (диод D2) и сглаживающий фильтр (конденсатор C3). Наличие нагрузки позволяет в отдельных случаях исключить демпферную цепь, но часто она всё же имеется для подавления всплесков напряжения, индуцируемых на индуктивности рассеяния первичной обмотки в момент размыкания ключа.

Функционирует генератор как обычный обратноходовой преобразователь напряжения: транзистор Q1 периодически открывается, подключая L1 к источнику напряжения V, благодаря чему трансформатор накапливает энергию, затем, Q1 закрывается, после чего трансформатор отдаёт накопленную энергию через обмотку L3, подзаряжая сглаживающий конденсатор C3.

Как уже было отмечено ранее, в таком виде, без цепи отрицательной обратной связи, преобразователь не может использоваться в качестве полноценного источника питания из-за нестабильности выходного напряжения. После включения такого устройства, его выходное напряжение будет расти до тех пор, пока потребляемая нагрузкой мощность не сравняется с мощностью, отдаваемой трансформатором через обмотку L3. Для обеспечения постоянства выходного напряжения, для его стабилизации на заданном уровне, необходима цепь отрицательной обратной связи, за счёт которой происходило бы управление блокинг-генератором с целью регулировки передаваемой в нагрузку мощности. Самый простой способ ввести отрицательную обратную связь (с гальванической развязкой) — использовать дополнительную обмотку трансформатора. Точнее, дополнительная обмотка даже не потребуется — можно использовать уже имеющуюся обмотку L2, которая и так необходима для работы самого блокинг-генератора (рис. %img:smps).

Рис. %img:smps

С помощью диода D3 фиксируем на конденсаторе C4 пиковое напряжение на обмотке L2 во время обратного хода. Это напряжение пропорционально напряжению на L3 во время обратного хода. Но, как ранее выяснили, напряжение на L3 во время обратного хода (практически) равно напряжению на выходе (на нагрузке). Часто делают обмотки L2, L3 одинаковыми (с одинаковым количеством витков), тогда напряжение на C4 будет просто равно выходному напряжению. То есть, получили простой способ измерения выходного напряжения, обеспечивающий гальваническую развязку.

Напряжение на C4 используется для управления блокинг-генератором следующим образом. Между верхней по схеме обкладкой, которая имеет отрицательный потенциал, и базой транзистора включён стабилитрон D4. Стабилитрон выбирается такой, чтобы его напряжение стабилизации было примерно на 1 В выше напряжения, которое хотим получить на выходе преобразователя.

Пока выходное напряжение преобразователя мало и, соответственно, мало равное ему по абсолютной величине напряжение на конденсаторе C4, ток стабилитрона мал и он слабо влияет на работу блокинг-генератора. По мере увеличения выходного напряжения, импульсы тока стабилизации через стабилитрон увеличиваются (они появляются во время прямого хода преобразователя, когда на базу подаются открывающие транзистор импульсы напряжения), уменьшая тем самым импульсы базового тока. При меньших по амплитуде импульсах открывающего базового тока, получаем меньшие длительности интервалов, на которых транзистор открыт — это следует из принципа работы блокинг-генератора. Длительность прямого хода уменьшается, соответственно уменьшается длительность обратного хода (так как они пропорциональны), в целом период колебаний также уменьшается, следовательно, частота увеличивается. Вместе с тем, уменьшение длительности прямого хода приводит к уменьшению той величины, которой успевает достичь ток в первичной обмотке L1 трансформатора: при открытом транзисторе ток в обмотке растёт линейно, поэтому максимальное достигаемое его значение пропорционально длительности прямого хода. Передаваемая в нагрузку мощность пропорциональна частоте переключений (количеству тактов преобразователя за единицу времени) и пропорциональна энергии, передаваемой за один такт работы преобразователя. Как мы выяснили, частота растёт, но передаваемая за такт энергия снижается — она пропорциональна квадрату максимального тока в индуктивности, а максимальный ток пропорционален длительности прямого хода.

Итак, частота обратно пропорциональна периоду, энергия за один такт пропорциональна квадрату периода. В целом, передаваемая в нагрузку мощность оказывается пропорциональной периоду рабочего цикла преобразователя и снижается с уменьшением длительности прямого хода и периода колебаний, т.е. с увеличением выходного напряжения. При снижении передаваемой в нагрузку мощности, сглаживающий конденсатор начинает разряжаться и выходное напряжение снижается.

При снижении выходного напряжения, напряжение на C4 также уменьшается по абсолютной величине, уменьшается обратное напряжение на стабилитроне, уменьшается его ток стабилизации, импульсы базового тока, открывающие транзистор, увеличиваются по амплитуде, что приводит к увеличению длительности прямого хода преобразователя. Передаваемая в среднем в нагрузку мощность возрастает, начинает расти выходное напряжение. Таким образом, любое отклонение выходного напряжения от номинального значения, компенсируется за счёт регулирования средней передаваемой нагрузке мощности.

Как уже отмечалось, коэффициент трансформации n трансформатора T1 не влияет на выходное напряжение обратноходового преобразователя. Что не делает правильный выбор n менее ответственным делом, так как он влияет на соотношение между временем прямого и обратного хода; амплитуду импульсов обратного напряжения на выпрямительном диоде; пиковое напряжение на ключе во время обратного хода.

Смотрите далее — пример реального источника питания, построенного на основе рассмотренной схемы:
Зарядное устройство AMT Style