Одной из популярнейших топологий импульсных преобразователей напряжения является двухтактный преобразователь или push-pull (в дословном переводе - тяни-толкай).
В отличие от однотактного обратноходового преобразователя (flyback), энергия в сердечнике пуш-пула не запасается, потому что в данном случае это - сердечник трансформатора, а не , он служит здесь проводником для переменного магнитного потока, создаваемого по очереди двумя половинами первичной обмотки.
Тем не менее, несмотря на то, что это именно импульсный трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации, напряжение стабилизации выхода двухтактника все равно может изменяться посредством варьирования ширины рабочих импульсов (с помощью ).
В силу высокой эффективности (КПД до 95%) и наличия гальванической развязки первичной и вторичной цепей, двухтактные импульсные преобразователи широко используется в стабилизаторах и инверторах мощностью от 200 до 500 Вт (блоки питания, автомобильные инверторы, ИБП и т.д.)
На рисунке ниже изображена общая схема типичного двухтактного преобразователя. Как первичная, так и вторичная обмотки имеют отводы от середин, чтобы в каждый из двух рабочих полупериодов, когда активен только один из транзисторов, была бы задействована своя половина первичной обмотки и соответствующая половина вторичной обмотки, где напряжение упадет лишь на одном из двух диодов.
Применение двухполупериодного выпрямителя с диодами Шоттки, на выходе двухтактного преобразователя, позволяет снизить активные потери и повысить КПД, ведь экономически гораздо целесообразнее намотать две половины вторичной обмотки, чем нести потери (финансовые и активные) с диодным мостом из четырех диодов.
Ключи в первичной цепи двухтактного преобразователя (MOSFET или IGBT) должны быть рассчитаны на удвоенное напряжение питания, чтобы выдержать действие не только ЭДС источника, но и добавочное действие ЭДС, наводимых во время работы друг друга.
Особенности устройства и режима работы двухтактной схемы выгодно отличают ее от полумостовой, прямоходовой и обратноходовой. В отличие от полумостовой, здесь нет необходимости развязывать цепь управления ключами от входного напряжения. Двухтактный преобразователь работает как два однотактных прямоходовых преобразователя в одном устройстве.
К тому же, в отличие от прямоходового, духтактному преобразователю не нужна ограничительная обмотка, так как один из выходных диодов продолжает проводить ток даже при закрытых транзисторах. Наконец, в отличие от обратноходового преобразователя, в двухтактнике ключи и магнитопровод используются более щадящим образом, а эффективная длительность импульсов больше.
Во встроенных блоках питания электронных устройств все более популярны двухтактные схемы с управлением по току. При таком подходе проблема повышенного напряжения на ключах исключается на корню. В общую истоковую цепь ключей включается резистор-шунт, с которого снимается напряжение обратной связи для защиты по току. Каждый цикл работы ключей ограничивается по длительности моментом достижения током заданной величины. Под нагрузкой выходное напряжение, как правило, ограничивается посредством ШИМ.
При проектировании двухтактного преобразователя особое внимание уделяют подбору ключей, чтобы сопротивление открытого канала и емкость затвора были бы как можно меньше. Для управления затворами полевых транзисторов в двухтактном преобразователе чаще всего применяют микросхемы-драйверы затворов, которые легко справляются со своей задачей даже на частотах в стони килогерц, свойственных импульсным источникам питания любой топологии.
Простейшим двухтактным инвертором является автогенератор по схеме Ройера. Здесь транзисторы попеременно находятся в состоянии насыщения и отсечки (рис.5.7).
Рисунок 5.7 – Двухтактный автогенератор
После включения питания через резистор R 1 протекает ток, открывающий оба транзистора. Схема симметрична и коллекторные токи транзисторов равны между собой i K 1 = i K 2, ЭДС самоиндукции в обмотках W 1 также равны по величине, но противоположно направлены. Поэтому коллекторная обмотка в целом нейтральна и в базовой обмотке ничего не наводится. За счёт тепловых, дробовых или фликкер – шумов ток одного из транзисторов мгновенно станет больше. Пусть i K 1 > i K 2 , тогда в базовой обмотке появится ЭДС, как показано на рис.5.7, под действием которой VT1 приоткрывается, а VT2 призакрывается, i K 1 ещё больше возрастает, возрастает ЭДС и т.д. протекает лавинообразный процесс, в результате которого VT1 входит в насыщение, а VT2 – в состояние отсечки. Рабочая точка сердечника входит в область насыщения рост тока прекращается, ЭДС самоиндукции меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток и происходит обратный лавинообразный процесс, в результате которого VT2 входит в насыщение, а VT1 – в состояние отсечки и так далее.
Это автогенератор с насыщающимся трансформатором. Индукция в сердечнике меняется от –B m до +B m . . Резистор R1 служит для запуска схемы, а резистор Rб ограничивает базовый ток в открытом состоянии.
Из– за конечного быстродействия транзисторов, работающих с насыщением, время рассасывания коллекторного тока не равно нулю и время выключения больше времени включения. Поэтому в момент смены полярности напряжения на W 1 , VT1 ещё не успевает перейти в состояние отсечки, а VT2 уже включился и, к ещё открытому VT1, прикладывается напряжение
(5.6)
Поэтому коллекторный ток имеет всплеск – так называемый сквозной ток (рис.5.8).
Рисунок 5.8 – Сквозные токи в схеме Ройера
Величина сквозного тока может в несколько раз превышать рабочий ток.
Поэтому в современных источниках питания такие схемы используется редко, но в радиолюбительской практике очень широко – простота и надёжность, при небольшой выходной мощности – до 100 Ватт делают схему очень привлекательной.
Для больших мощностей используют преобразователи с независимым возбуждением, чтобы уменьшить мощность потерь в насыщающемся выходном трансформаторе. Усложняется схема управления, формируются сигналы управления с запасом по времени на выключение транзисторов.
К двухтактным относятся также мостовые и полумостовые схемы. На рис.5.9а приведена силовая цепь мостового инвертора, а на рис. 5.9б – диаграмма работы при активной нагрузке. Ключи работают попарно и поочерёдно (VT 1 , VT 4 и VT 2 , VT 3). Потери здесь больше, чем в обычной схеме, поскольку в цепи тока включены последовательно два ключа. Напряжение на закрытом ключе равно всего Eк, поэтому такая схема предпочтительна при высоких напряжениях питания. Форма напряжения на нагрузке и форма тока совпадают.
Рисунок 5.9 – Мостовой инвертор
На практике нагрузка редко бывает активной, обычно она имеет индуктивный характер (рис.5.10) и ток в первичной обмотке не может измениться мгновенно.
Рисунок 5.10 – Мостовой инвертор с индуктивным характером нагрузки
После коммутации ключей (VT1,4 закрываются, VT2,3 открываются) под действием ЭДС самоиндукции ток протекает ещё некоторое время () через первичную обмотку в том же направлении. Ключи VT2,3 не держат обратного напряжения и могут быть пробиты этой ЭДС самоиндукции. Для их защиты и создания пути тока разряда индуктивности все ключи шунтируют диодами. На рис. 5.10 условно показаны только два из них. Энергия, запасённая в индуктивности, возвращается в источник по цепи: минус источника Е К, диод VD3, обмотка W1, диод VD2, плюс источника Е К, имеет место рекуперация, а чтобы ток протекал в источник, величина ЭДС превышает Е К на величину . Мгновенная мощность на интервале отрицательна . (5.7)
Рекуперация энергии может играть и положительную роль. Например, городской электротранспорт и локомотивы на железной дороге. В них, при движении идёт потребление энергии от контактной сети приводными электродвигателями. При торможении двигатели переключаются в генераторный режим, кинетическая энергия движения преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. В источниках электропитания рекуперация приводит только к дополнительным потерям и её следует избегать. В мостовом инверторе, например, можно изменить алгоритм управления ключами, как показано на рис.5.11.
Рисунок 5.11 – Мостовой инвертор без рекуперации
В этой схеме при замкнутых ключах VT1 и VT4, идёт передача энергии в нагрузку и её накопление в индуктивности. После размыкания VT1, ЭДС самоиндукции меняет знак, как показано на рис.5.11а и индуктивность разряжается через открытый ключ VT4 и защитный диод VD3 на нагрузку. Здесь запас по времени такой, что индуктивность полностью разряжается и появляются высшие гармоники в составе выходного напряжения. Если не будет разрыва между токами i p и i 1 , то не будет провала в выходном напряжении и в его спектре будет меньше высших гармоник.
В мостовых схемах инверторов имеется четыре управляемых ключа и довольно сложная схема управления. Уменьшить число ключей позволяет полумостовая схема инвертора, которая приведена на рис.5.12.
Рисунок 5.12 – Полумостовой инвертор
Здесь конденсаторы С 1 и С 2 создают искусственную среднюю точку источника 
. При открытом VT 1 С 1 разряжается на нагрузку и подзаряжается С 2 , а при открытом VT 2 – наоборот (С 2 разряжается на нагрузку и подзаряжается С 1). Напряжение, прикладываемое к первичной обмотке трансформатора равно напряжению на одном конденсаторе.
Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий импульсный трансформатор. Коэффициент трансформации трансформатора может быть произвольным. Несмотря на то, что он фиксирован, во многих случаях может варьироваться ширина импульса, что расширяет доступный диапазон стабилизации напряжения. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота и возможность наращивания мощности.
В правильно сконструированном двухтактном преобразователе постоянный ток через обмотку и подмагничивание сердечника отсутствуют. Это позволяет использовать полный цикл перемагничивания и получить максимальную мощность.
Следующая упрощенная методика позволяет рассчитать основные параметры импульсного трансформатора выполненного на кольцевом магнитопроводе.
где Sc — площадь поперечного сечения магнитопровода, см2; Sw — площадь окна сердечника, см2; f — f — частота колебаний, Гц; Bмах — допустимое значение индукции для отечественных никель-марганцевых и никель-цинковых ферритов на частотах до 100 кГц.
| Параметр | Марка феррита | |||||
| 6000НМ | 4000НМ | 3000НМ | 2000НМ | 1500НМ | 1000НМ | |
| 0,005 | 0,1 | 0,2 | 0,45 | 0,6 | 1,0 | |
| 0,35 | 0,36 | 0,38 | 0,39 | 0,35 | 0,35 | |
| Параметр | Марка феррита | |||||
| 200НН | 1000НН | 600НН | 400НН | 200НН | 100НН | |
| Граничная частота при tg δ ≤ 0,1, МГц | 0,02 | 0,4 | 1,2 | 2,0 | 3,0 | 30 |
| Магнитная индукция B при Hм = 800 А / м, Тл | 0,25 | 0,32 | 0,31 | 0,23 | 0,17 | 0,44 |
Для расчета площади поперечного сечения магнитопровода и площади окна сердечника магнитопровода используются следующие формулы:
где D — наружный диаметр ферритового кольца, см; d — внутренний диаметр; h — высота кольца;
2. Расчет максимальной мощности трансформатора
Максимальную мощность трансформатора выбираем 80% от габаритной:
3. Расчет минимального числа витков первичной обмотки W1
Минимальное число витков первичной обмотки W1 определяется максимальным напряжением на обмотке U1 и допустимой индукцией сердечника Bмах:
4. Расчет эффективного значения тока первичной обмотке:
Эффективное значение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле:
При этом следует учитывать, что Uэфф = U1 / 1,41 = 0,707U1, так как Uэфф это действующее значение напряжения, а U1 максимальное значение напряжения.
5. Расчет диаметра провода в первичной обмотке:
где I1 — эффективное значение тока в первичной обмотке, A ; j — плотность тока, А/мм2;
Плотность тока зависит от мощности трансформатора, рассеиваемое количество теплоты пропорционально площади обмотки и перепаду температур между ней и средой. С увеличением размера трансформатора объем растет быстрее площади и для одинакового перегрева удельные потери и плотность тока надо уменьшать. Для трансформаторов мощностью 4..5 кВА плотность тока не превышает 1..2 А/мм².
Для справки в таблице приведены данные плотности тока в зависимости от мощности трансформатора
| Pн, Вт | 1 .. 7 | 8 .. 15 | 16 .. 40 | 41 .. 100 | 101 .. 200 |
| j, А/мм 2 | 7 .. 12 | 6 .. 8 | 5 .. 6 | 4 .. 5 | 4 .. 4,5 |
6. Эффективное значение тока вторичной обмотки (I2), кол-во витков во вторичной обмотке (W2) и диаметр провода во вторичной обмотке (d2) рассчитывается по следующим формулам:
где Uвых — выходное напряжение вторичной обмотки, Рмах — максимальная выходная мощность трансформатора, так же следует учитывать, что значение Pмах можно заменить на мощность нагрузки при условии, что мощность нагрузки будет меньше максимальной выходной мощности трансформатора.
Исходя из всех выше перечисленных формул (с учетом плотности тока зависящим от мощности трансформатора) можно примерно рассчитать основные параметры импульсного трансформатора, для удобства рассчетов можно воспользоваться онлайн калькулятором.
Данная статья является упрощенной методикой расчета импульсного трансформатора для двухтактного преобразователя, все формулы и онлайн-калькулятор позволяют рассчитать примерные намоточные данные импульсного трансформатора , так как трансформатор имеет много взаимозависимых параметров.
При обнаружении ошибок в формулах, методике их применения и другие замечания просьба оставлять в комментариях.
После определения диаметра провода, следует учитывать, что диаметр провода рассчитывается без изоляции, воспользуйтесь таблицей данных обмоточных проводов для определения диаметра провода с изоляцией.
Таблица данных обмоточных проводов.
|
Диаметр без изоляции, мм |
Сечение меди, мм² |
Диаметр с изоляцией, мм |
| 0,03 | 0,0007 | 0,045 |
| 0,04 | 0,0013 | 0,055 |
| 0,05 | 0,002 | 0,065 |
| 0,06 | 0,0028 | 0,075 |
| 0,07 | 0,0039 | 0,085 |
| 0,08 | 0,005 | 0,095 |
| 0,09 | 0,0064 | 0,105 |
| 0,1 | 0,0079 | 0,12 |
| 0,11 | 0,0095 | 0,13 |
| 0,12 | 0,0113 | 0,14 |
| 0,13 | 0,0133 | 0,15 |
| 0,14 | 0,0154 | 0,16 |
| 0,15 | 0,0177 | 0,17 |
| 0,16 | 0,0201 | 0,18 |
| 0,17 | 0,0227 | 0,19 |
| 0,18 | 0,0255 | 0,2 |
| 0,19 | 0,0284 | 0,21 |
| 0,2 | 0,0314 | 0,225 |
| 0,21 | 0,0346 | 0,235 |
| 0,23 | 0,0416 | 0,255 |
| 0,25 | 0,0491 | 0,275 |
| 0,27 | 0,0573 | 0,31 |
| 0,29 | 0,0661 | 0,33 |
| 0,31 | 0,0755 | 0,35 |
| 0,33 | 0,0855 | 0,37 |
| 0,35 | 0,0962 | 0,39 |
| 0,38 | 0,1134 | 0,42 |
| 0,41 | 0,132 | 0,45 |
| 0,44 | 0,1521 | 0,49 |
| 0,47 | 0,1735 | 0,52 |
| 0,49 | 0,1885 | 0,54 |
| 0,51 | 0,2043 | 0,56 |
| 0,53 | 0,2206 | 0,58 |
| 0,55 | 0,2376 | 0,6 |
| 0,57 | 0,2552 | 0,62 |
| 0,59 | 0,2734 | 0,64 |
| 0,62 | 0,3019 | 0,67 |
| 0,64 | 0,3217 | 0,69 |
| 0,67 | 0,3526 | 0,72 |
| 0,69 | 0,3739 | 0,74 |
| 0,72 | 0,4072 | 0,78 |
| 0,74 | 0,4301 | 0,8 |
| 0,77 | 0,4657 | 0,83 |
| 0,8 | 0,5027 | 0,86 |
| 0,83 | 0,5411 | 0,89 |
| 0.86 | 0,5809 | 0,92 |
| 0,9 | 0,6362 | 0,96 |
| 0,93 | 0,6793 | 0,99 |
| 0,96 | 0,7238 | 1,02 |
| 1 | 0,7854 | 1,07 |
| 1,04 | 0,8495 | 1,12 |
| 1,08 | 0,9161 | 1,16 |
| 1,12 | 0,9852 | 1,2 |
| 1,16 | 1,057 | 1,24 |
| 1,2 | 1,131 | 1,28 |
| 1,25 | 1,227 | 1,33 |
| 1,3 | 1,327 | 1,38 |
| 1,35 | 1,431 | 1,43 |
| 1,4 | 1,539 | 1,48 |
| 1,45 | 1,651 | 1,53 |
| 1,5 | 1,767 | 1,58 |
| 1,56 | 1,911 | 1,64 |
| 1,62 | 2,061 | 1,71 |
| 1,68 | 2,217 | 1,77 |
| 1,74 | 2,378 | 1,83 |
| 1,81 | 2,573 | 1,9 |
| 1,88 | 2,777 | 1,97 |
| 1,95 | 2,987 | 2,04 |
| 2,02 | 3,205 | 2,12 |
| 2,1 | 3,464 | 2,2 |
| 2,26 | 4,012 | 2,36 |
В двухтактных преобразователях более эффективно используется магнитопровод импульсного трансформатора. В таких схемах не требуется бороться с намагничиванием сердечника, что позволяет уменьшить его габариты. Выходное напряжение получается симметричным. Кроме того, транзисторы преобразователя работают в более легком режиме.
Иногда для небольшой мощности (до 15 Вт) используют самый простой преобразователь, выполненный по схеме автогенератора (рис. 4.16, а). Эта схема не критична к применяемым деталям, но подбор рабочей точки режима работы транзисторов при помощи резистора R2 может улучшить характеристики устройства (иногда параллельно R2 устанавливают конденсатор). Делитель из резисторов R1-R2 обеспечивает необходимый начальный ток для запуска работы автогенератора.
Рис. 4.16. Схемы двухтактных автогенераторов
Используемые универсальные транзисторы 2N3055 заменяются подобными отечественными КТ818ГМ, КТ8150А, а если изменить полярность подаваемого питания, то можно применять и p-n-р транзисторы. Питающее напряжение схемы может быть от 12 до 24 В. Для длительной работы устройства транзисторы необходимо установить на радиаторы.
Трансформатор может быть выполнен на ферритовом М2000НМ1 кольцевом магиитопроводе, его рабочее сечение зависит. от мощности в нагрузке. Для упрощенного выбора можно воспользоваться рекомендациями, см. табл. 4.5.
Таблица 4.5. Допустимая максимальная мощность для кольцевых ферритовых магнитопроводов марки М2000НМ1
При изготовлении трансформатора Т1 обмотки 1 и 2 наматываются одновременно, но фазировка подключения их должна соответствовать показанной на схеме. Для сечения кольцевого магнитопровода типоразмера К32х20х6 обмотки 1 и 2 содержат по 8 витков (провод ПЭЛ диаметром 1,2...0,81 мм); 3 и 4 по 2 витка (0,23 мм); 5 - число витков вторичной обмотки зависит от необходимого напряжения (0,1...0,23 мм).
С помощью этой схемы можно получать напряжение до 30 кВ, если применить магнитопровод от трансформаторов, используемых в современных телевизорах.
Аналогичная схема автогенератора, выполненная на полевых транзисторах, приведена на рис. 4.16, б. Она позволяет использовать более простой трансформатор, в котором не нужны обмотки обратной связи. Стабилитроны VD1, VD2 предотвращают появление на затворах транзисторов опасных напряжений.
Рабочая частота таких схем задается параметрами магнитопровода трансформатора и индуктивностью обмоток, так как от этого зависит задержка сигнала обратной связи (лучше если частота будет находиться в диапазоне 20...50 кГц).
В качестве недостатка данных схем можно отметить низкий КПД, что затрудняет их применение при большой мощности, а также нестабилизированное выходное напряжение, которое может сильно меняться в зависимости от изменения напряжения питания. Более удачная схема двухтактного преобразователя, выполненная с использованием специализированной микросхемы (рис. 4.17), отличается высоким КПД и может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке.
Рис. 4.17. Схема двухтактного импульсного преобразователя
Преобразователь выполнен на широко распространенной микросхеме ШИМ-контроллере Т114ЕУ4 (полный импортный аналог TL494), что позволяет сделать схему довольно простой. В нормальном состоянии (при нулевом напряжении на затворе) транзисторы VT1, VT2 закрыты и открываются импульсами с соответствующих выходов микросхемы. Резисторы R7-R9 и R8-R10 ограничивают выходной ток микросхемы, а также величину напряжения на затворе ключей. Цепь из элементов C1-R2 обеспечивает плавный выход на рабочий режим при включении питания (постепенное увеличение ширины импульсов на выходах микросхемы). Диод VD1 предохраняет повреждение элементов схемы при ошибочном подключении полярности питания.
Диаграммы напряжений, поясняющие работу, показаны на рис. 4.18. Как видно на рисунке (а), задний фронт импульса имеет большую длительность, чем передний. Это объясняется наличием емкости затвора полевого транзистора, заряд которой рассасывается через резистор R9 (R10) во время, когда выходной транзистор микросхемы закрыт. Это увеличивает время закрывания ключа. Так как в открытом состоянии на полевом транзисторе падает напряжение не более 0,1 В, потери мощности в виде небольшого нагрева VT1 и VT2 происходят в основном за счет медленного закрывания транзисторов (именно этим ограничена максимальная допустимая мощность нагрузки).
Рис. 4.18. Диаграммы напряжений
Параметры данной схемы при работе на лампу мощностью 100 Вт приведены в табл. 4.6. В холостом ходу потребляемый ток составляет 0,11 А (9 В) и 0,07 А (15 В). Рабочая частота преобразователя около 20 кГц.
Таблица 4.6. Основные параметры схемы
Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ1 типоразмера К32х20х6. Параметры обмоток указаны в табл. 4.7.
Таблица 4.7. Параметры обмоток трансформатора Т1
До намотки острые грани сердечника необходимо закруглить надфилем или грубой наждачной бумагой. При изготовлении трансформатора сначала наматывается вторичная обмотка. Намотка выполняется виток к витку, в один слой с последующей изоляцией лакотканью или фторопластовой лентой. Первичные обмотки 1 и 2 наматываются двумя проводами одновременно, как это показано на рис. 4.19 (равномерно распределив витки на магнитопроводе). Такая намотка позволяет значительно уменьшить выбросы напряжения на фронтах при закрывании полевых ключей. Транзисторы устанавливаются на теплоотвод, в качестве которого применен дюралевый профиль (рис. 4.20).
Рис. 4.19 Вид конструкции импульсного трансформатора
Рис. 4.20. Конструкция радиатора
Радиаторы закрепляются на краях печатной платы. Односторонняя печатная плата из стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм имеет размеры 110x90 мм (см. рис. 4.21 и 4.22).
Рис. 4.21. Топология печатной платы
Рис. 4.22. Расположение элементов
Данную схему можно использовать для питания нагрузки, постоянно потребляющей мощность до 100 Вт. Для большей мощности необходимо уменьшить время переключения полевых ключей. Это позволяют сделать специально разработанные микросхемы, имеющие комплементарный выходной каскад, предназначенный для управления мощными полевыми транзисторами, например, К1156ЕУ2, UC3825.
В качестве силовых ключей на мощность до 60 Вт в приведенной схеме можно также применять транзисторы N-типа со статической индукцией КП958А (BCIT- Bipolar Static Induction Transistor). Они разработаны специально для работы в высокочастотных источниках питания. Физика работы такого транзистора близка к работе обычного биполярного, но из-за конструктивных особенностей он имеет ряд преимуществ:
1) низкое падение напряжения исток-сток в открытом состоянии;
2) повышенный коэффициент усиления;
3) высокое быстродействие при переключении;
4) повышенная устойчивость к тепловому пробою.
В этом случае транзисторы лучше подобрать с одинаковыми параметрами, а резисторы R9 и R10 уменьшить до 100...150 Ом.
Принципиальные схемы простых преобразователей напряжения на основе автогенераторов, построены с использованием транзисторов.
В генераторах с самовозбуждением (автогенераторах) для возбуждения электрических колебаний обычно используется положительная обратная связь. Существуют также автогенераторы на активных элементах с отрицательным динамическим сопротивлением, однако в качестве преобразователей они практически не используются.
Наиболее простая схема однокаскадного преобразователя напряжения на основе автогенератора показана на рис. 1. Этот вид генераторов получил название блокинг-генераторов. Фазовый сдвиг для обеспечения условия возникновения колебаний в нем обеспечивается определенным включением обмоток.
Рис. 1. Схема преобразователя напряжения с трансформаторной обратной связь.
Аналог транзистора 2N3055 — КТ819ГМ. Блокинг-генератор позволяет получать короткие импульсы при большой скважности. По форме эти импульсы приближаются к прямоугольным.
Емкости колебательных контуров блокинг-гене-ратора, как правило, невелики и обусловлены межвитковыми емкостями и емкостью монтажа. Предельная частота генерации блокинг-генератора — сотни кГц. Недостатком этого вида генераторов является выраженная зависимость частоты генерации от изменения питающего напряжения.
Резистивный делитель в цепи базы транзистора преобразователя (рис. 1) предназначен для создания начального смещения. Несколько видоизмененный вариант преобразователя с трансформаторной обратной связью представлен на рис. 2.
Рис. 2. Схема основного (промежуточного) блока источника высоковольтного напряжения на основе автогенераторного преобразователя.
Автогенератор работает на частоте примерно 30 кГц. На выходе преобразователя формируется напряжение амплитудой до 1 кВ (определяется числом витков повышающей обмотки трансформатора).
Трансформатор Т1 выполнен на диэлектрическом каркасе, вставляемом в броневой сердечник Б26 из феррита М2000НМ1 (М1500НМ1). Первичная обмотка содержит 6 витков; вторичная обмотка — 20 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,18 мм (0,12...0,23 мм).
Повышающая обмотка для достижения выходного напряжения величиной 700...800 В имеет примерно 1800 витков провода ПЭЛ диаметром 0,1 мм. Через каждые 400 витков при намотке укладывается диэлектрическая прокладка из конденсаторной бумаги, слои пропитывают конденсаторным или трансформаторным маслом. Места выводов катушки заливают парафином.
Этот преобразователь может быть использован в качестве промежуточного для питания последующих ступеней формирования высокого напряжения (например с электрическими разрядниками или тиристорами).
Следующий преобразователь напряжения (США) также выполнен на одном транзисторе (рис. 3). Стабилизация напряжения смещения базы осуществляется тремя последовательно включенными диодами VD1 — VD3 (прямое смещение).
Рис. 3. Схема преобразователя напряжения с трансформаторной обратной связью.
Коллекторный переход транзистора VT1 защищен конденсатором С2, кроме того, параллельно коллекторной обмотке трансформатора Т1 подключена цепочка из диода VD4 и стабилитрона VD5.
Генератор вырабатывает импульсы, по форме близкие к прямоугольным. Частота генерации составляет 10 кГц и определяется величиной емкости конденсатора СЗ. Аналог транзистора 2N3700 — КТ630А.
Схема двухтактного трансформаторного преобразователя напряжения показана на рис. 4. Аналог транзистора 2N3055 — КТ819ГМ. Трансформатор высоковольтного преобразователя (рис. 4) может быть выполнен с использованием ферритового незамкнутого сердечника круглого или прямоугольного сечения, а также на основе телевизионного строчного трансформатора.
При использовании ферритового сердечника круглой формы диаметром 8 мм число витков высоковольтной обмотки в зависимости от требуемой величины выходного напряжения может достигать 8000 витков провода диаметром 0,15...0,25 мм. Коллекторные обмотки содержат по 14 витков провода диаметром 0,5...0,8 мм.
Рис. 4. Схема двухтактного преобразователя с трансформаторной обратной связью.
Рис. 5. Вариант схемы высоковольтного преобразователя с трансформаторной обратной связью.
Обмотки обратной связи (базовые обмотки) содержат по 6 витков такого же провода. При подключении обмоток следует соблюдать их фазировку. Выходное напряжение преобразователя — до 8 кВ.
В качестве транзисторов преобразователя могут быть использованы транзисторы отечественного производства, например, КТ819 и им подобные.
Вариант схемы аналогичного преобразователя напряжения показан на рис. 5. Основное различие заключается в цепях подачи смещения на базы транзисторов.
Число витков первичной (коллекторной) обмотки — 2x5 витков диаметром 1,29 мм, вторичной — 2x2 витков диаметром 0,64 мм. Выходное напряжение преобразователя целиком определяется числом витков повышающей обмотки и может достигать 10...30 кВ.
Преобразователь напряжения А. Чаплыгина не содержит резисторов (рис. 6). Он питается от батареи напряжением 5 6 и способен отдавать в нагрузку до 1 А при напряжении 12 В.
Рис. 6. Схема простого высокоэффективного преобразователя напряжения с питанием от батареи 5 В.
Диодами выпрямителя служат переходы транзисторов автогенератора. Устройство способно работать и при пониженном до 1 В напряжении питания.
Для маломощных вариантов преобразователя можно использовать транзисторы типа КТ208, КТ209, КТ501 и другие. Максимальный ток нагрузки не должен превышать максимального тока базы транзисторов.
Диоды VD1 и VD2 — не обязательны, однако позволяют получить на выходе дополнительное напряжение 4,2 В отрицательной полярности. КПД устройства около 85%. Трансформатор Т1 выполнен на кольце К18x8x5 2000НМ1. Обмотки I и II имеют по 6, III и IV — по 10 витков провода ПЭЛ-2 0,5.
Преобразователь напряжения (рис. 7) выполнен по схеме индуктивной трехточки и предназначен для измерений высокоомных сопротивлений и позволяет получить на выходе не-стабилизированное напряжение 120... 150 В.
Потребляемый преобразователем ток около 3...5 мА при напряжении питания 4,5 В. Трансформатор для этого устройства может быть создан на основе телевизионного трансформатора БТК-70.
Рис. 7. Схема преобразователя напряжения по схеме индуктивной трехтонки.
Его вторичную обмотку удаляют, взамен нее наматывают низковольтную обмотку преобразователя — 90 витков (два слоя по 45 витков) провода ПЭВ-1 0,19...0,23 мм. Отвод от 70-го витка снизу по схеме. Резистор R1 — величиной 12...51 кОм.
Рис. 8. Схема преобразователя напряжения 1,5 В/-9 В.
Преобразователь (рис. 8) представляет собой однотактный релаксационный генератор с емкостной положительной обратной связью (С2, СЗ). В коллекторную цепь транзистора VT2 включен повышающий автотрансформатор Т1.
В преобразователе использовано обратное включение выпрямительного диода VD1, т.е. при открытом транзисторе VT2 к обмотке автотрансформатора приложено напряжение питания Un, и на выходе автотрансформатора появляется импульс напряжения. Однако включенный в обратном направлении диод VD1 в это время закрыт, и нагрузка отключена от преобразователя.
В момент паузы, когда транзистор закрывается, полярность напряжения на обмотках Т1 изменяется на противоположную, диод VD1 открывается, и выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке.
При последующих циклах, когда транзистор VT2 запирается, конденсаторы фильтра (С4, С5) разряжаются через нагрузку, обеспечивая протекание постоянного тока. Индуктивность повышающей обмотки автотрансформатора Т1 при этом играет роль дросселя сглаживающего фильтра.
Для устранения подмагничивания сердечника автотрансформатора постоянным током транзистора VT2 используется перемагничивание сердечника автотрансформатора за счет включения параллельно его обмотке конденсаторов С2 и СЗ, которые одновременно являются делителем напряжения обратной связи.
Когда транзистор VT2 закрывается, конденсаторы С2 и СЗ в течение паузы разряжаются через часть обмотки трансформатора, перемагничивая сердечник Т1 током разряда.
Частота генерации зависит от напряжения на базе транзистора ѴТ1. Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению посредством R2.
При понижении выходного напряжения увеличивается частота генерируемых импульсов при примерно одинаковой их длительности. В результате увеличивается частота подзарядки конденсаторов фильтра С4 и С5 и падение напряжения на нагрузке компенсируется. При увеличении выходного напряжения частота генерации, наоборот, уменьшается.
Так, после заряда накопительного конденсатора С5 частота генерации падает в десятки раз. Остаются лишь редкие импульсы, компенсирующие разряд конденсаторов в режиме покоя. Такой способ стабилизации позволил уменьшить ток покоя преобразователя до 0,5 мА.
Транзисторы ѴТ1 и ѴТ2 должны иметь возможно больший коэффициент усиления для повышения экономичности. Обмотка автотрансформатора намотана на ферритовом кольце К10x6x2 из материала 2000НМ и имеет 300 витков провода ПЭЛ-0,08 с отводом от 50-го витка (считая от «заземленного» вывода). Диод VD1 должен быть высокочастотным и иметь малый обратный ток. Налаживание преобразователя сводится к установке выходного напряжения равным -9 В путем подбора резистора R2.
На рис. 9 показана схема преобразователя стабилизированного напряжения с широтно-импульсным управлением. Преобразователь сохраняет работоспособность при уменьшении напряжения батареи с 9.... 12 до 3В. Такой преобразователь оказывается наиболее пригодным при батарейном питании аппаратуры.
КПД стабилизатора — не менее 70%. Стабилизация сохраняется при уменьшении напряжения источника питания ниже выходного стабилизированного напряжения преобразователя, чего не может обеспечить традиционный стабилизатор напряжения. Принцип стабилизации, использованный в данном преобразователе напряжения.
Рис. 9. Схема преобразователя стабилизированного напряжения с ШИМ управлением.
При включении преобразователя ток через резистор R1 открывает транзистор ѴТ1, коллекторный ток которого, протекая через обмотку II трансформатора Т1, открывает мощный транзистор ѴТ2. Транзистор ѴТ2 входит в режим насыщения, и ток через обмотку I трансформатора линейно увеличивается.
В трансформаторе происходит накопление энергии. Через некоторое время транзистор ѴТ2 переходит в активный режим, в обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна приложенному к ним напряжению (магнитопровод трансформатора не насыщается).
Транзистор ѴТ2 лавинообразно закрывается и ЭДС самоиндукции обмотки I через диод VD2 заряжает конденсатор СЗ. Конденсатор С2 способствует более четкому закрыванию транзистора. Далее процесс повторяется.
Через некоторое время напряжение на конденсаторе СЗ увеличивается настолько, что открывается стабилитрон VD1, и базовый ток транзистора ѴТ1 уменьшается, при этом уменьшается ток базы, а значит, и коллекторный ток транзистора ѴТ2.
Поскольку накопленная в трансформаторе энергия определяется коллекторным током транзистора ѴТ2, дальнейшее увеличение напряжения на конденсаторе СЗ прекращается. Конденсатор разряжается через нагрузку. Таким образом на выходе преобразователя поддерживается постоянное напряжение. Выходное напряжение задает стабилитрон VD1. Частота преобразования изменяется в пределах 20... 140 кГц.
Преобразователь напряжения, схема которого показана на рис. 10, отличается тем, что в нем цепь нагрузки гальванически развязана от цепи управления. Это позволяет получить несколько вторичных стабильных напряжений. Использование интегрирующего звена в цепи обратной связи позволяет улучшить стабилизацию вторичного напряжения.
Рис. 10. Схема преобразователя стабилизированного напряжения с биполярным выходом 15+15В.
Частота преобразования уменьшается почти линейно при уменьшении питающего напряжения. Это обстоятельство усиливает обратную связь в преобразователе и повышает стабильность вторичного напряжения.
Напряжение на сглаживающих конденсаторах вторичных цепей зависит от энергии импульсов, получаемых от трансформатора. Наличие резистора R2 делает напряжение на накопительном конденсаторе С3 зависимым и от частоты следования импульсов, причем степень зависимости (крутизна) определяется сопротивлением этого резистора.
Таким образом, подстроечным резистором R2 можно устанавливать желаемую зависимость изменения напряжения вторичных обмоток от изменения напряжения питания. Полевой транзистор ѴТ2 — стабилизатор тока. КПД преобразователя может доходить до 70... 90%.
Нестабильность выходного напряжения при напряжении питания 4... 12 В не более 0,5%, а при изменении температуры окружающего воздуха от -40 до +50°С — не более 1,5%. Максимальная мощность нагрузки — 2 Вт.
При налаживании преобразователя резисторы R1 и R2 устанавливаются в положение минимального сопротивления и подключают эквиваленты нагрузок RH. На вход устройства подается напряжение питания 12 В и с помощью резистора R1 на нагрузке Rн устанавливается напряжение 15 В. Далее напряжение питания уменьшают до 4В и резистором R2 добиваются напряжения на выходе также 15 В. Повторяя этот процесс несколько раз, добиваются стабильного напряжения на выходе.
Обмотки I и II и магнитопровод трансформатора у обоих вариантов преобразователи одинаковы. Обмотки намотаны на броневом магнитопроводе Б26 из феррита 1500НМ. Обмотка I содержит 8 витков провода ПЭЛ 0,8, а II — 6 витков провода ПЭЛ 0,33 (каждая из обмоток III и IV состоит из 15 витков провода ПЭЛ 0,33 мм).
Схема простого малогабаритного преобразователя сетевого напряжения, выполненного из доступных элементов, показана на рис. 11. В основе устройства обычный блокинг-генератор на транзисторе VT1 (КТ604, КТ605А, КТ940).
Рис. 11. Схема понижающего преобразователя напряжения на основе блокинг-генератора.
Трансформатор Т1 намотан на броневом сердечнике Б22 из феррита М2000НН. Обмотки Іа и Іб содержат 150+120 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. Обмотка II имеет 40 витков провода ПЭЛ 0,27 мм III — 11 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. Вначале наматывается обмотка Іа, затем — II, после — обмотка lb, и, наконец, обмотка III.
Источник питания не боится короткого замыкания или обрыва в нагрузке, однако имеет большой коэффициент пульсаций напряжения, низкий КПД, небольшую выходную мощность (до 1 Вт) и значительный уровень электромагнитных помех. Питать преобразователь можно и от источника постоянного тока напряжением 120 6. В этом случае резисторы R1 и R2 (а также диод VD1) следует исключить из схемы.
Слаботочный преобразователь напряжения для питания газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера может быть собран по схеме на рис. 12. Преобразователь представляет собой транзисторный блокинг-генератор с дополнительной повышающей обмоткой. Импульсы с этой обмотки заряжают конденсатор СЗ через выпрямительные диоды VD2, VD3 до напряжения 440 В.
Конденсатор СЗ должен быть либо слюдяным, либо керамическим, на рабочее напряжение не ниже 500 В. Длительность импульсов блокинг-генератора примерно 10 мкс. Частота следования импульсов (десятки Гц) зависит от постоянной времени цепи R1, С2.
Рис. 12. Схема слаботочного преобразователя напряжения для питания газоразрядного счетчика Гейгера-Мюллера.
Магнитопровод трансформатора Т1 изготавливают из двух склеенных вместе ферритовых колец К16x10x4,5 3000НМ и изолируют его слоем лакоткани, тефлона или фторопласта.
В начале наматывают внавал обмотку III — 420 витков провода ПЭВ-2 0,07, заполняя магнитопровод равномерно. Поверх обмотки III накладывают слой изоляции. Обмотки I (8 витков) и II (3 витка) наматывают любым проводом поверх этого слоя, их также следует возможно равномернее распределить по кольцу.
Следует обратить внимание на правильную фазировку обмоток, она должна быть выполнена до первого включения. При сопротивлении нагрузки порядка единиц МОм преобразователь потребляет ток 0,4... 1,0 мА.
Преобразователь напряжения (рис. 13) предназначен для питания фотовспышки. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе из двух сложенных вместе пермаллоевых колец К40х28х6. Обмотка коллекторной цепи транзистора VT1 имеет 16 витков ПЭВ-2 0,6 мм; его базовой цепи — 12 витков такого же провода. Повышающая обмотка содержит 400 витков ПЭВ-2 0,2.
Рис. 13. Схема преобразователя напряжения для фотовспышки.
Неоновая лампа HL1 использована от стартера лампы дневного света. Выходное напряжение преобразователя плавно повышается на конденсаторе фотовспышки до 200 В за 50 секунд. Устройство при этом потребляет ток до 0,6 А.
Для питания ламп-вспышек предназначен преобразователь напряжения ПН-70, являющийся основой описываемого ниже устройства (рис. 14). Обычно энергия батарей преобразователя расходуется с минимальной эффективностью.
Вне зависимости от частоты следования вспышек света генератор работает непрерывно, расходуя большое количество энергии и разряжая батареи.
Рис. 14. Схема модифицированного преобразователя напряжения ПН-70.
Перевести работу преобразователя в ждущий режим удалось О. Панчику, который включил на выходе преобразователя резистивный делитель R5, R6 и подал сигнал с него через стабилитрон VD1 на электронный ключ, выполненный на транзисторах VT1 — ѴТЗ по схеме Дарлингтона.
Как только напряжение на конденсаторе фотовспышки (на схеме не показан) достигнет номинального значения, определяемого значением резистора R6, стабилитрон VD1 пробьется, а транзисторный ключ отключит батарею питания (9 В) от преобразователя.
Когда напряжение на выходе преобразователя понизится в результате саморазряда или разряда конденсатора на лампу-вспышку, стабилитрон VD1 перестанет проводить ток, произойдет включение ключа и, соответственно, преобразователя. Транзистор ѴТ1 должен быть установлен на медном радиаторе размерами 50x22x0,5 мм.
