Прямоходовый импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки. Принцип работы. Примеры схем

Как работает прямоходовый стабилизатор напряжения. Описание принципа действия. Пошаговая инструкция по разработке и расчету (10+)

Прямоходовый однотактный импульсный преобразователь напряжения. Расчет. Примеры схем - Принцип действия

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

Как мы писали в статье, описывающей принцип работы понижающего преобразователя напряжения, у него есть три существенные особенности, ограничивающие его применение. Во-первых, отсутствие гальванической развязки между входной и выходной цепями. Во-вторых, низкая эффективность работы в случае, если выходное напряжение сильно меньше входного. В-третьих, невозможность формирования на выходе напряжения большего, чем входное.

Логичным развитием понижающей схемы является прямоходовый однотактный импульсный преобразователь. Он свободен от всех трех особенностей, названных выше. Но применение в нем трансформатора сразу же порождает проблему размагничивания.

Подробная статья о принципе действия трансформатора готовится. Подпишитесь на новости, чтобы получить уведомление о ее выходе.

Здесь же напомню только, что приложение напряжения к первичной обмотке трансформатора не только приводит к появлению напряжения на вторичной, но и начинает намагничивать сердечник. То есть первичная обмотка ведет себя, как индуктор. Через нее начинает идти возрастающий со временем ток намагничивания. Именно из-за этого тока трансформатор не может передавать во вторичную обмотку постоянное напряжение. Кроме того связь первичной обмотки со вторичной неидеальная. Присутствует индуктивность утечки. В этой индуктивности тоже накапливается энергия. Из сказанного понятно, что подключить первичную обмотку трансформатора к источнику питания, а потом просто отключить ее, нельзя. Это приведет к броску напряжения в момент отключения (сила тока через индуктивность не может меняться резко, подробнее об этом в статье о катушках индуктивности) и пробою силового ключа.

Нужно предусмотреть специальную схему размагничивания, через которую пойдет ток после закрытия силового ключа, в которой сформируется напряжение обратной полярности, что позволит отвести энергию, накопленную в индуктивности первичной обмотки и индуктивности утечки.

Размагничивание сердечника трансформатора

Чтобы обеспечить надежное размагничивание сердечника трансформатора без посторонней помощи (без приложения внешнего размагничивающего напряжения), в сердечнике предусматривается небольшой зазор (0.1 - 0.2 мм). Без этого зазора сердечник намагничивается по своей средней магнитной линии. Магнитное поле закольцовывается и само себя поддерживает. Получается такой закольцованный постоянный магнит. Если же есть зазор, то вся энергия как бы накапливается именно в этом зазоре, так как его магнитная проводимость на несколько порядков ниже магнитной проводимости материала сердечника. Это получается как плотина на бурной реке. В зазоре нет ферромагнитного материала. Там нечему намагничиваться. Так что там магнитное поле сразу же спадает, как только уменьшается ток через катушку.

Размагничивающая обмотка

Чтобы энергии, накопленной в магнитном поле было куда уйти после размыкания силового ключа, предусмотрена размагничивающая обмотка L6. Она включена так, чтобы ток через нее пошел в цепи питания, возвращая им энергию. То есть к плюсу питания получается приложенным еще более положительное напряжение.

Чем помогает эта обмотка? В идеальной ситуации катушке индуктивности все равно, в какой обмотке течет ток. Главное, чтобы индукция (степень намагничивания) была постоянной. То есть ток как бы может перетекать из одной обмотки в другую. Если при этом индукция не меняется, то и подвода / отвода энергии не требуется. Например, если у нас есть две обмотки 20 и 40 витков, то замена тока в 2 А в первой на ток в 1 А во второй не вызовет никаких бросков напряжения и может произойти мгновенно.

Сказанное верно для идеального трансформатора. В реальных условиях между первичной и размагничивающей обмотками также есть индуктивность утечки, что препятствует моментальному перетеканию тока из одной обмотки в другую. Скачок напряжения при размыкании ключа все таки возникает, хотя и не такой большой, как если бы размагничивающей обмотки не было. Прогнозировать величину этого всплеска трудно, так как надежно рассчитать индуктивность утечки обычно не удается. Но из общих соображений можно утверждать, что чем больше ток нагрузки, тем больше будет скачок напряжения. Во-первых, чем больше ток, тем сильнее скачок при его переходе в другую обмотку. Во-вторых, чем больше ток, тем толще провод первичной обмотки, что увеличивает индуктивность утечки (связи). Именно эта паразитная индуктивность ограничивает максимальную мощность схем источников питания прямоходовой однофазной топологии. Есть красивое решение, позволяющее полностью исключить влияние этой индуктивности и строить источники питания такой мощности, какую позволяет силовой ключ. Оно описано в самом конце статьи.

Размагничивающую обмотку наматывают обычно непосредственно под или над первичной, иногда переплетают провода этих обмоток. Все это делается для снижения индуктивности утечки. Через размагничивающую обмотку идет довольно небольшой ток, так что она выполняется тонким проводом.

[Число витков размагничивающей обмотки] = [Число витков первичной обмотки] * (1 - [Максимальный коэффициент заполнения]) / [Максимальный коэффициент заполнения]

[Максимальное напряжение на силовом ключе, В] = 1.3 * [Максимальное входное напряжение, В] * (1 + [Максимальный коэффициент заполнения] / (1 - [Максимальный коэффициент заполнения]))

Если бы не описанная выше индуктивность утечки, коэффициент 1.3 не понадобился бы, а так мы делаем наобум запас 30%. Однако и его бывает недостаточно. Как видно из формулы, если коэффициент заполнения стремится к единице, то напряжение на силовом ключе стремится к бесконечности.

Принцип действия схемы

Когда ключ замкнут, к первичной обмотке трансформатора приложено входное напряжение. На вторичной обмотке формируется напряжение. Разница напряжения на вторичной обмотке и выходного приложено к дросселю L1. Сила тока в дросселе нарастает, индуктор накапливает энергию. Ток идет по контурам S1 в цепях первичной и вторичной обмоток трансформатора. Функционирование цепей вторичной обмотки совершенно аналогично функционированию соответствующих цепей понижающего преобразователя, так что мы их рассматривать не будем.

(читать дальше...) :: (в начало статьи)

Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи. [2] сообщений.

Уважаемый Автор, спасибо за очень интересные, подробные и написанные простым понятным языком статьи по импульсным преобразователям. Многое в голове разложилось по полочкам, тем не менее остались некоторые вопросы. (1) Все схемы в Ваших конструкциях основаны на ШИМ преобразователе с постоянной частотой следования импульсов. Чем такой подход выгоднее релейного регулирова Читать ответ...