Транзисторные преобразователи напряжения

Для питания аппаратуры от источника постоянного напряжения (аккумуляторы, солнечные батареи, базовое питание судовых систем автоматики) используются транзисторные преобразователи напряжения. Они позволяют получить от одного источника несколько напряжений, различных по величине и полярности и гальванически развязанных друг от друга и от шин первичного питания.

По назначению преобразователи делятся на нерегулируемые и регулируемые. Нерегулируемые преобразователи обеспечивают гальваническую развязку и изменение напряжения в заданном постоянном соотношении; по сути, они представляют собой трансформаторы постоянного напряжения. Регулируемые преобразователи обеспечивают непрерывное изменение выходного напряжения в соответствии с управляющим воздействием; если это воздействие формируется цепью ООС по напряжению, получаем стабилизирующий преобразователь.

Преобразователи напряжения бывают однотактные и двухтактные. Однотактные содержат один транзисторный ключ, двухтактные – два ключа, коммутирующиеся в противофазе.

По способу возбуждения различают преобразователи с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Преобразователи с самовозбуждением представляют собой автогенераторы с трансформаторной ПОС. Преобразователи с независимым возбуждением содержат маломощный задающий генератор и ключевой усилитель мощности.

На рис. 7.26 приведены схемы однотактных преобразователей. Наиболее широко известны два типа однотактных преобразователей: с прямым включением выпрямительного диода (прямоходовые) и с обратным включением выпрямительного диода (обратноходовые).

Рассмотрим работу прямоходового преобразователя (рис. 7.26, а). Когда транзистор VT1 включен, напряжение U _вх прикладывается к первичной обмотке трансформатора w ₁. Диод VD2 открыт; энергия, переданная во вторичную обмотку w ₂, передается в нагрузку и запасается дросселем L. После запирания транзистора энергия, запасенная дросселем, передается в нагрузку через диод VD3, а энергия, запасенная трансформатором, возвращается в источник питания через размагничивающую обмотку w _p. Для того чтобы выходное напряжение не зависело от тока нагрузки, дроссель должен работать в режиме непрерывных токов; в этом случае выходное напряжение U _вых линейно зависит от коэффициента заполнения γ. Если принять характеристики всех элементов идеальными, то

Так как в установившемся режиме энергия, запасенная на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью возвращена в источник питания, то максимальное значение γ_max зависит от соотношения витков w ₁ и w _p. Чем больше отношение w ₁/ w _p, тем быстрее происходит размагничивание трансформатора, следовательно, тем больше γ_max. Однако при этом происходит увеличение напряжения на закрытом транзисторе:

В обратноходовом преобразователе (рис. 7.26, б) при отпирании транзистора VT1 напряжение U _вх прикладывается к первичной обмотке w _1, и происходит накопление энергии в магнитной системе трансформатора. Полярность напряжения на вторичной обмотке такова, что диод VD1 заперт. По сути дела, трансформатор здесь является дросселем и выполняет такие же функции, как и дроссель L в схеме рис. 7.24; разница лишь в добавлении вторичной обмотки, обеспечивающей гальваническую развязку. После запирания транзистора изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора, открывается диод VD1 и накопленная энергия передается в нагрузку. Среднее значение выходного напряжения

Основные схемы двухтактных преобразователей напряжения – со средней точкой, мостовая и полумостовая.

В схеме со средней точкой (рис. 7.27, а) транзисторы VT1 и VT2 открываются противофазно, их отпирающие импульсы должны иметь одинаковый коэффициент заполнения γ для исключения подмагничивания трансформатора. Необходимо соблюдать условие γ £ 0,5; в противном случае возникают моменты времени, когда оба транзистора открыты одновременно, что означает короткое замыкание первичной обмотки трансформатора. Напряжение на запертых транзисторах равно 2 U _вх (если не принимать во внимание возможные кратковременные коммутационные выбросы, которые подавляются введением демпфирующих цепей). К вторичной обмотке может быть подключена любая двухполупериодная выпрямительная схема. В регулируемом преобразователе фильтр должен быть типа LC для того, чтобы выходное напряжение было пропорционально γ. В нерегулируемом преобразователе из-за практически прямоугольной формы вторичного напряжения требования к фильтру весьма снижены; как правило, достаточно одного конденсатора, который выполняет в основном сглаживание пульсаций, вызванных резкими изменениями тока нагрузки.

Схема мостового преобразователя (рис. 7.27, б) отличается тем, что одновременно открываются транзисторы VT1 и VT4, а противофазно им – транзисторы VT2 и VT3. Остальные процессы аналогичны, поэтому выпрямитель и фильтр не показаны. Напряжение на запертых транзисторах равно U _вх.

В полумостовой схеме (рис. 7.27, в) транзисторы VT1 и VT2 открываются противофазно. Одинаковые конденсаторы С1 и С2 образуют емкостной делитель напряжения. В средней точке делителя напряжение должно изменяться за полпериода частоты коммутации f незначительно; для этого необходимо выполнение условия

где I ₁ – среднее за полупериод значение тока первичной обмотки трансформатора. Напряжение на закрытом транзисторе равно U _вх. Напряжение на первичной обмотке трансформатора равно U _вх/2, поэтому ток транзистора при одинаковой мощности в нагрузке будет вдвое больше, чем в схеме со средней точкой и в мостовой схеме. Достоинством полумостовой схемы является принципиальное отсутствие подмагничивания трансформатора.

Примеры простейших преобразователей напряжения с самовозбуждением приведены на рис. 7.28.

Рассмотрим процессы в однотактном преобразователе с обратным включением диода (рис. 7.28. а). При подаче напряжения питания через резистор R _см на базу транзистора VT поступает отпирающий потенциал. Транзистор открывается, и через первичную обмотку трансформатора протекает ток, который вызывает нарастание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Возникающее при этом напряжение трансформируется в базовую обмотку, полярность подключения которой обеспечивает ПОС. Возникает регенеративный процесс, приводящий к насыщению транзистора. Далее ток коллектора I _к линейно нарастает, и когда он достигнет максимально возможной величины I _{к max} = h _21э I _б, нарастание магнитного потока прекратится, полярность напряжений на обмотках трансформатора изменится на противоположную, и произойдет обратный регенеративный процесс запирания транзистора.

Трансформатор в этой схеме работает с подмагничиванием, что требует увеличения его габаритов. Кроме того, недостатком схемы является зависимость тока коллектора I _{к max}, а следовательно, и выходного напряжения, от статического коэффициента передачи тока транзистора h _21э . Поэтому параметры источника питания будут значительно отличаться при использовании различных экземпляров транзисторов.

В двухтактном преобразователе (рис. 7.28, б) при включении напряжения питания транзистор VT2 благодаря наличию цепи смещения R _см, R _б начинает отпираться. Возникает регенеративный процесс, аналогичный описанному при рассмотрении однотактного преобразователя. Транзистор VT2 насыщается, транзистор VT1 заперт обратным напряжением база-эмиттер.

Переключение транзисторов произойдет по одной из следующих причин:

1) прекращение нарастания магнитного потока вследствие достижения предельного значения коллекторного тока, что приводит к выходу транзистора VT2 из насыщения; при этом предполагается, что сердечник трансформатора не насыщается;

2) прекращение нарастания магнитного потока вследствие насыщения сердечника трансформатора; для того чтобы эта причина была преобладающей, выбирают сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса.

В любом случае вследствие прекращения роста магнитного потока уменьшаются наведенные в обмотках трансформатора напряжения, что приводит к регенеративному процессу, запирающему VT2 и отпирающему VT1. В дальнейшем процессы повторяются, и на вторичной обмотке трансформатора устанавливается переменное напряжение прямоугольной формы.

Транзисторные преобразователи напряжения являются основой современных источников питания с бестрансформаторным входом. Подобные источники широко применяются в изделиях массового производства, например, в персональных компьютерах, аудио- и видеотехнике.

Промышленность выпускает специализированные микросхемы, предназначенные для управления преобразователями напряжения. Такие микросхемы называют ШИМ-контроллерами. Примером может служить микросхема LM5021, разработанная для применения в прямоходовых и обратноходовых однотактных преобразователях с питанием от сети ~ 220 В и рассчитанная на работу с внешним МОП-транзистором. На рис. 7.29 показана упрощенная схема включения LM5021 в обратноходовом преобразователе. Рабочая частота в диапазоне 50 – 1000 кГц устанавливается резистором, подключенным к выводу RT. Время плавного запуска определяется емкостью конденсатора, подключенного к выводу SS. В дополнение к традиционным узлам защиты от перегрузок и перегрева LM5021 содержит токовую защиту с автоматическим возобновлением работы после устранения перегрузки. Цепь ООС выполняется с

гальванической развязкой; для этой цели обычно применяются оптопары.

 

 

Геллер Б.Л. КГТУ 2010

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2005. – 790 с.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982 – 512 с.

3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. – М.: Радио и связь, 1985. – 304 с.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.

5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. - М.: Мир, 1998. 704 с.

7. Джонс М.Х. Электроника – практический курс. – М.: Техносфера, 2006. – 512 с.

8. Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур Г. Справочник по активным фильтрам: пер.с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 128 с.

9. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: справочник. – М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.

10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.

11. Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. – М.: Энергоатомиздат, 1987.– 320 с.

12. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: справочник. - М.: Радио и связь, 1984. – 400 с.

13. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др.; под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.

14. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: справочное пособие. – М.: Радио и связь, 1989. – 240 с.

15. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. – М.: Радио и связь, 1985. – 576 с.

ОГЛАВЛЕние

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1. ЛИНЕЙНЫЕ преобразователи сигналов В АППАРАТУРЕ СУДОВОЙ АВТОМАТИКИ.. 5

1.1. Схемотехника и характеристики операционных усилителей.. 5

1.2. Основные схемы включения операционных усилителей.. 17

1.3. Линейные преобразователи сигналов на базе ОУ.. 20

1.4. Активные фильтры.. 31

1.5. Усилители мощности.. 45

2. НЕЛИНЕЙНЫЕ преобразователи сигналов.. 58

2.1. Назначение и принципы построения. 58

нелинейных преобразователей сигналов. 58

2.2. Логарифмические усилители.. 59

2.3. Ограничители сигналов. 61

2.4. Прецизионные выпрямители.. 65

2.5. Амплитудные детекторы.. 68

2.6. Перемножители сигналов. 69

2.7. Функциональные преобразователи сигналов. 77

с произвольной передаточной характеристикой.. 77

3. КЛЮЧЕВЫЕ преобразователи сигналов.. 80

3.1. Электронные ключи.. 80

3.2. Коммутаторы сигналов. 86

3.3. Компараторы.. 91

3.4. Устройства выборки-хранения. 97

3.5. Фазочувствительные выпрямители.. 100

4. ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ... 104

4.1. Основные положения алгебры логики.. 104

4.2. Логические элементы.. 105

4.3. Классификация и основные параметры цифровых микросхем.. 107

4.4. Анализ и синтез комбинационных схем.. 117

4.5. Типовые комбинационные схемы.. 123

4.6. Последовательностные схемы.. 132

4.7. Примеры применения последовательностных схем.. 143

4.8. Синтез последовательностных схем.. 145

5. ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ.. 148

5.1. Общие сведения о генераторах. 148

5.2. Импульсные генераторы.. 149

5.3. Генераторы синусоидальных сигналов. 166

5.4. Кварцевые генераторы.. 173

5.5. Функциональные генераторы.. 177

6. преобразователи вида сигнала для целей.. 182

измерения и передачи информации.. 182

6.1. Преобразователи сопротивления в напряжение. 182

6.2. Преобразователи напряжения в частоту и частоты в напряжение. 184

7. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ 191

7.1. Общие характеристики источников вторичного электропитания. 191

7.2. Типовые структурные схемы источников вторичного электропитания. 194

7.3. Выпрямители источников вторичного электропитания. 197

7.4. Сглаживающие и помехоподавляющие фильтры.. 204

7.5. Непрерывные стабилизаторы напряжения. 207

7.6. Импульсные стабилизаторы.. 216

7.7. Транзисторные преобразователи напряжения. 220

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 226