Компенсирующий преобразователь

Схема компенсирующего преобразователя представлена на рис. 13.31, а. Переклю­чением транзистора T_s управляет широтно-импульсный модулятор. Транзистор открыт в течение времени t_вкл и закрыт в течение времени t_выкл (рис. 13.31, б). За время t_вкл ток I_вкл течет от входа через индуктивность L и заряжает сглаживающий конден­сатор С. При этом диод заперт. Когда транзистор выключен, ток I_выкл продолжает течь через индуктивность, далее через диод и продолжает заряжать конденсатор в течение времени t_D.

Через некоторое время t₀, которое зависит от скорости изменения I_выкл и времени цикла переключения T, ток через индуктивность станет равен нулю. Скорость изменения тока I за время t_вкл запишется как:

Скорость изменения тока I_выкл за времяt_Dбудет:

Суммарное изменение тока за время t_Dбудет:

Из требования стабильности работы схемы необходимо, чтобы ток в начале цикла был равен току в конце цикла. Следовательно, суммарное изменение тока должно быть равно нулю:

или

Преобразовав уравнение (13.43), получаем:

При этом:

Из уравнения (13.44) видно, что выходное напряжение компенсирующего пре­образователя всегда меньше входного напряжения, а также то, что им можно уп­равлять, изменяя время открытия транзистора. Такой процесс управления называ­ется широтно-импульсной модуляцией и применяется не только в импульсных ис­точниках питания, но и во многих других устройствах.

Если преобразователь функционирует так, что t₀ = 0, то уравнение (13.44) будет иметь вид:

D называется рабочий цикл. При этом режим работы преобразователя называет­ся непрерывный режим. Если ток на индуктивности в какой-то части цикла равен нулю, режим работы преобразователя называется импульсным. Эти два режима про­иллюстрированы на рис. 13.32.

Базовая схема преобразователя может быть расширена применением трансфор­матора. Одна из таких схем изображена на рис. 13.33 и называется прямой преобра­зователь. Когда переключающий транзистор T_s включен, ток I_вкл течет по первич­ной обмотке трансформатора и вызывает ток во вторичной обмотке. Этот ток поступает на диод D_v далее на индуктивность L и заряжает конденсатор С. Когда транзистор T_s выключен, ток I_выкл продолжает течь через индуктивность L и далее через диод D₂ и продолжает заряжать конденсатор С. Следует заметить, что в этой схеме в первичной и вторичной обмотке ток может течь только в одном направле­нии. Это приводит к магнитной насыщаемости сердечника, которая мешает трансформатору выполнять присущие ему функции. Для устранения этого эффекта при­меняется специальная обмотка на трансформаторе (рис. 13.34). Энергия, накапли­ваемая в сердечнике, индуцирует в третьей обмотке ток в период времени, когда транзистор T_s закрыт (в это время диод D₁ также закрыт). Ток с третьей обмотки протекает через диод D_s и возвращает накопленную энергию на вход. В этом про­цессе два полезных эффекта: восстанавливаются магнитные свойства сердечника и предотвращается индукция высоковольтных переходных процессов на первичную обмотку, которая влияла бы на работу транзистора. Прямой преобразователь дол­жен иметь рабочий цикл <50%, чтобы не было насыщения. Следовательно, такие преобразователи применяются в источниках питания с относительно низкой мощно­стью (ниже 400 Вт).

Существует несколько других схем преобразователей с использованием транс­форматоров, например двухтактный преобразователь (рис. 13.35, а). В его схеме ис­пользуются два переключающих транзистора, соединенных с центром первичной обмотки. Попеременное включение частей первичной обмотки создает эффект по­дачи на нее прямоугольных импульсов переменной полярности. Время включения каждого транзистора одно и то же, поэтому исключается возможность насыщения сердечника трансформатора. Диоды, подключенные к транзисторам, защищают их от высокого обратного напряжения во время переходных процессов. В то время как при открытом транзисторе полное входное напряжение подается на половину пер­вичной обмотки, напряжение на втором транзисторе (закрытом) равно удвоенному входному напряжению. Диаграммы напряжений и тока на первичной и вторичной обмотке двухтактного преобразователя изображены на рис. 13.35, б. Когда оба пе­реключающих транзистора выключены (в период времени t_D), ток на индуктив­ность поступает через оба диода вторичной обмотки. Так как вторичная обмотка тоже разделена на две части, а токи по ним текут в противоположных направлени­ях, то они не влияют на первичную обмотку. Двухтактный преобразователь имеет высокий КПД.

В схемах импульсных источников питания используются также преобразовате­ли с мостовой схемой подключения трансформатора. Принцип действия такого преобразователя представлен на рис. 13.36. В схеме используются четыре переклю­чающих транзистора, которые переключаются парами: S₁ вместе с S₃ и S₂ вместе с S₄. Ток I₁, при включении первой пары протекает по нагрузке в одном направлении, а при включении второй пары I₂ — в противоположном. Средний ток определяется рабочим циклом. Нагрузкой мостовой схемы служит первичная обмотка трансфор­матора. Схема мостового преобразователя изображена на рис. 13.37. Такие преоб­разователи применяются в мощных источниках питания (около 1 кВт). Конденса­тор С_р в первичной обмотке восстанавливает равенство времени включения тран­зисторов.