Новостной и аналитический портал "время электроники". Двухтактные преобразователи 2 х тактные преобразователи в источниках питания

Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют не только увеличить КПД преобразователя, но и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает большее постоянство выпрямленного напряжения. В этих схемах целесообразно использовать схемы выпрямления, в которых отсутствует постоянное вынужденное подмагничивание магнитопровода (двухфазная двухполупериодная с выводом средней точки и однофазная мостовая).

В схемах двухтактных автогенераторов роль переключателей выполняют транзисторы, которые поочередно открываются и закрываются подобно транзисторам в схемах симмертичного мультивибратора. Такие схемы могут быть собраны с общим эмиттером, с общей базой и общим коллектором. Наибольшее распространение находит схема с общим эмиттером, которая при малых напряжениях источника U вх позволяет получить высокий КПД.

Двухтактный преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером (рис. 3), состоит из двух транзисторов VT 1 VT 2 и трансформатора, имеющего три обмотки: коллекторную (состоит из двух полуобмоток ω К1 и ω К2), базовую (состоит из двух полуобмоток ω Б1 и ω Б2) и выходную ω ВЫХ. Как и в однотактном преобразователе, коллекторная обмотка является первичной, а базовая - обмоткой обратной связи.

Рис. 3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

Магнитопровод трансформатора выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 4, а).

Рис. 4. К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения:

а - петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора;

б - диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

В качестве материала для магнитопровода используется пермаллой и ферриты различных марок. Делитель напряжения R 1 R 2 обеспечивает запуск преобразователя, поскольку при включении питающего напряжения U вх на резисторе R 1 (рис. 3) появляется небольшое падение напряжения (в среднем 0,7 В), минус которого приложен к базам транзисторов. Это напряжение выводит рабочую точку транзистора в область больших токов, обеспечивая самовозбуждение генератора. Конденсатор С 1 повышает надежность процесса самовозбуждения. Емкость С 1 подбирается экспериментально; значение ее находится в пределах от 0,1 до 2 мкФ.

Принцип работы схемы двухтактного преобразователя состоит в следующем. При включении напряжения питания U вх падение напряжения на R 1 откроет оба транзистора VT 1 и VT 2 , при этом вследствие разброса параметров транзисторов токи i К1 и i К2 , протекающие по ним, не могут быть совершенно одинаковыми. Допустим i К1 > i К2 при этом в магнитопроводе трансформатора возникнет магнитный поток, направление которого определяется преобладающим током коллектора i К1 (рис. 3, направление i К1 показано сплошными стрелками). Этот поток наводит ЭДС на всех обмотках трансформатора (рис. 3, знаки без скобок), причем ЭДС, наводимая в базовых полуобмотках ω Б1 и ω Б2 , создаст на базе VT 1 «минус», а на базе VT 2 «плюс», что приведет к еще большей разнице в токах i К1 и i К2 . Благодаря положительной обратной связи в схеме процесс открытия VT 1 и закрытия VT 2 протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT 1 в режим насыщения. К полуобмотке ω Б1 окажется приложенным напряжение

где U кэ1 нас -падение напряжения на открытом транзисторе VT 1 .

Транзистор VT 1 будет открыт до тех пор, пока магнитный поток трансформатора не достигнет значения Ф s (поток насыщения). Как видно из рис. 4, а при прямоугольной петле гистерезиса трансформатора магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным, а, как известно из теории трансформаторов (гл. 1), при постоянном магнитном потоке в обмотках трансформатора ЭДС наводиться не может. По этой причине в момент достижения магнитным потоком значения Ф s исчезают (или становятся весьма малы) ЭДС во всех обмотках трансформатора, а соответственно и токи в этих обмотках.

Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности (рис. 3, знаки в скобках), т.е. на базе VT 1 появится положительное напряжение по отношению к эмиттеру и транзистор VT 1 закроется, а на базе транзистора VT 2 появится отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, что приводит к отпиранию VT 2 и к появлению тока i К2 в полуобмотке ω К2 (направление i К2 показано пунктиром). Это вызывает увеличение отрицательного напряжения в базе VT 2 и дальнейший рост тока i К2 ; этот процесс протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT 2 в режим насыщения. В результате (при открытом VT 2) к полуобмотке ω к2 окажется приложенным напряжение

Таким образом, напряжение на каждой из полуобмоток ω к1 и ω к2 определяется формулами (1) и (2) и имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 4, б, график и к ).

Частота генерации преобразователя согласно

где U кэ нас -падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения; U r -падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки трансформатора, В; ω к - число витков половины вторичной обмотки (ω к =ω к1= ω к2); B s -значение индукции насыщения, Тл; S c - площадь сечения магнитопровода трансформатора.

Как видно из (3), частота генерации преобразования f п зависит от напряжения источника питания U BX и от тока нагрузки I 0 . Дело в том, что при увеличении тока нагрузки увеличивается ток на выходе инвертора (I Вых), а следовательно, возрастает ток в первичной обмотке (ток I к). Увеличение тока I к приведет к увеличению падения напряжения на ней, т. е. U r , и согласно формуле (3) частота f п уменьшится.

При коротком замыкании на выходе преобразователя транзисторы VT 1 и VT 2 выходят из режима насыщения и генерация срывается. При устранении короткого замыкания схема легко возбуждается; таким образом, данная схема нечувствительна к коротким замыканиям.

Довольно мощный и простой двухтактный преобразователь напряжения можно построить с применением всего двух мощных полевых транзисторов. Такой инвертор был неоднократно мною задействован в самых разных конструкциях. В схеме применены два мощных N-канальных транзистора, их желательно брать с рабочим напряжением 100 Вольт, допустимый ток 40 Ампер и более.

Схема довольно популярна в сети.

Помимо транзисторов в схеме имеем ультрабыстрые диоды, можно задействовать диоды, типа UF4007, HER207, HER307, HER308, MUR460 и другие. Два стабилитрона на 12 Вольт для ограничения напряжения на затворах полевых ключей, стабилитроны желательно брать с мощностью 1 или 1,5 ватт, если в наличии не имеются стабилитроны на 12 Вольт, то можно использовать с напряжением стабилизации 9-15 Вольт, не критично.

Ограничительные резисторы желательно взять с мощностью 0,5 или 1 ватт, возможен небольшой перегрев этих резисторов.Трансформатор может быть намотан на сердечнике от компьютерного блока питания, можно даже ничего не мотать, и использовать трансформатор по обратному принципу — в качестве повышающего. На всякий случай скажу, что первичная или силовая обмотка состоит из 2х5 витков, намотана шиной из 5 отдельных жил по 0,7мм (каждая шина) провод не критичен.

Вторичная, повышающая обмотка намотана поверх первичной и состоит из 45 витков — этого вполне хватит для получения 220 Вольт с учетом рабочей частоты генератора.

Схема не содержит критических компонентов, разброс элементной базы довольно широкий. Транзисторы обязательно установить на теплоотвод, не забывайте разделить их от теплоотвода слюдяными прокладками, но это в случае одного цельного теплоотвода.

Дроссель может быть намотан на кольце от выходных дросселей компового БП, обмотка мотается шиной из 3-х жил провода 1 мм (каждая), количество витков от 6 до 12.

Немного о мощности и мерах безопасности. Выходное напряжение зависит от подключенной нагрузки, данный инвертор предназначен для работы с пассивными нагрузками (лампа, паяльник и т.п.) поскольку выходная частота в сотни раз больше, чем частота в сети.

Для подключения к инвертору активных нагрузок, напряжение с выхода трансформатора нужно сначала выпрямить, затем сгладить конденсатором электролитического типа, не забываем, что в выпрямителе обязательно нужно использовать быстрые диоды с обратным напряжением не менее 600 вольт и с током 2 Ампер и более. Электролитический конденсатор на напряжение 400 Вольт, емкость 47-330 мкФ. Мощность инвертора составляет 300 ватт!

Будьте предельно осторожны — выходное напряжение после выпрямителя с конденсатором смертельно опасно!

Наибольшее распространение получили двухтактные источники вторичного электропитания, хотя и имеют более сложную электрическую схему по сравнению с однотактными. Они позволяют получать на выходе значительно большую выходную мощность при высоком КПД.
Схемы двухтактных преобразователей-инверторов имеют три вида включения ключевых транзисторов и первичной обмотки выходного трансформатора: полумостовая, мостовая и с первичной обмоткой имеющей отвод от середины.

Полумостовая схема построения ключевого каскада.
Ее особенностью является включение первичной обмотки выходного трансформатора в среднюю точку емкостного делителя С1 — С2.

Амплитуда импульсов напряжения на переходах транзисторов эмиттер-коллектор Т1 и Т2 не превышает Uпит величины питающего напряжения. Это позволяет использовать транзисторы с максимальным напряжением Uэк до 400 вольт.
В то же время напряжение на первичной обмотке трансформатора Т2 не превышает значения Uпит/2, потому, что снимается с делителя С1 — С2 (Uпит/2).
Управляющее напряжение противоположной полярности подается на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2 через трансформатор Тр1.


В мостовом преобразователе емкостной делитель (С1 и С2) заменен транзисторами Т3 и Т4. Транзисторы в каждом полупериоде открываются попарно по диагонали (Т1, Т4) и (Т2, Т3).

Напряжение на переходах Uэк закрытых транзисторов не превышает напряжения питания Uпит. Но напряжение на первичной обмотке трансформатора Тр3 увеличится и будет равно величине Uпит, что повышает КПД преобразователя. Ток же через первичную обмотку трансформатора Тр3 при той же мощности, по сравнению с полумостовой схемой, будет меньше.
Из за сложности в наладке цепей управления транзисторов Т1 – Т4, мостовая схема включения применяется редко.

Схема инвертора с так называемым пушпульным выходом наиболее предпочтительна в мощных преобразователях-инверторах. Отличительной особенностью в данной схеме является то, что первичная обмотка выходного трансформатора Тр2 имеет вывод от середины. За каждый полупериод напряжения поочередно работает один транзистор и одна полуобмотка трансформатора.

Данная схема отличается наибольшим КПД, низким уровнем пульсаций и слабым излучением помех. Достигается это за счет уменьшения тока в первичной обмотке и уменьшения рассеиваемой мощности в ключевых транзисторах.
Амплитуда напряжения импульсов в половине первичной обмотки Тр2 возрастает до значения Uпит, а напряжение Uэк на каждом транзисторе достигает значения 2 Uпит (ЭДС самоиндукции + Uпит).
Необходимо использовать транзисторы с высоким значением Uкэmах, равным 600 – 700 вольт.
Средний ток через каждый транзистор равен половине тока потребления от питающей сети.

Обратная связь по току или по напряжению.

Особенностью двухтактных схем с самовозбуждением является наличие обратной связи (ОС) с выхода на вход, по току или по напряжению.

В схеме обратной связи по току обмотка связи w3 трансформатора Тр1 включена последовательно с первичной обмоткой w1 выходного трансформатора Тр2. Чем больше нагрузка на выходе инвертора, тем больше ток в первичной обмотке Тр2, тем больше обратная связь и больше базовый ток транзисторов Т1 и Т2.
Если нагрузка меньше минимально допустимой, ток обратной связи в обмотке w3 трансформатора Тр1 недостаточен для управления транзисторами и генерация переменного напряжения срывается.
Иными словами, при пропадании нагрузки — генератор не работает.

В схеме обратной связи по напряжению обмотка обратной связи w3 трансформатора Тр2 соединена через резистор R с обмоткой связи w3 трансформатора Тр1. По этой цепи осуществляется обратная связь с выходного трансформатора на вход управляющего трансформатора Тр1 и далее в базовые цепи транзисторов Т1 и Т2.
Обратная связь по напряжению слабо зависит от нагрузки. Если же на выходе будет очень большая нагрузка (короткое замыкание), напряжение на обмотке w3 трансформатора Тр2 снижается и может наступить такой момент, когда напряжение на базовых обмотках w1 и w2 трансформатора Тр1 будет недостаточно для управления транзисторами. Генератор перестанет работать.
При определенных обстоятельствах это явление может быть использовано как защита от короткого замыкания на выходе.
На практике широко применяются обе схемы с обратной связью ОС как по току, так и по напряжению.

Двухтактная схема инвертора с ОС по напряжению

Для примера, рассмотрим работу наиболее распространенной схемы преобразователя-инвертора – полумостовой схемы.
Схема состоит из нескольких независимых блоков:

• — выпрямительный блок – преобразует переменное напряжение 220 вольт 50 Гц в постоянное напряжение 310 вольт;
• — устройство запускающих импульсов – вырабатывает короткие импульсы напряжения для запуска автогенератора;
• — генератор переменного напряжения – преобразует постоянное напряжение 310 вольт в переменное напряжение прямоугольной формы высокой частоты 20 – 100 КГц;
• — выпрямитель – преобразует переменное напряжение 20 -100 КГц в постоянное напряжение.

Сразу после включения питания 220 вольт начинает работать устройство запускающих импульсов, представляющий из себя генератор пилообразного напряжения (R2, С2, Д7). От него запускающие импульсы поступают на базу транзистора Т2. Происходит запуск автогенератора.
Ключевые транзисторы открываются поочередно и в первичной обмотке выходного трансформатора Тр2, включенной в диагональ моста (Т1,Т2 – С3,С4), образуется переменное напряжение прямоугольной формы.
С вторичной обмотки трансформатора Тр2 снимается выходное напряжение, выпрямляется диодами Д9 — Д12 (двухполупериодное выпрямление) и сглаживается конденсатором С5.
На выходе получается постоянное напряжение заданной величины.
Трансформатор Т1 используется для передачи импульсов обратной связи от выходного трансформатора Тр2 на базы ключевых транзисторов Т1 и Т2.


Двухтактная схема ИБП имеет ряд преимуществ перед однотактной схемой:

• — ферритовый сердечник выходного трансформатора Тр2 работает с активным перемагничиванием (наиболее полно используется магнитный сердечник по мощности);
• — напряжение коллектор – эмиттер Uэк на каждом транзисторе не превышает напряжение источника постоянного тока в 310 вольт;
• — при изменении тока нагрузки от I = 0 до Imax, выходное напряжение изменяется незначительно;
• — выбросы высокого напряжения в первичной обмотке трансформатора Тр2 очень малы, соответственно меньше уровень излучаемых помех.

И еще одно замечание в пользу двухтактной схемы!!

Сравним работу двухтактного и однотактного автогенераторов с одинаковой нагрузкой.
Каждый ключевой транзистор Т1 и Т2 за один такт работы генератора используется всего половину времени (одну полуволну), вторую половину такта «отдыхает». То есть вся вырабатываемая мощность генератора, делится пополам между обоими транзисторами и передача энергии в нагрузку идет непрерывно (то от одного транзистора, то от другого), во время всего такта. Транзисторы работают в щадящем режиме.
В однотактном же генераторе накопление энергии в ферритовом сердечнике происходит во время половины такта, во второй половине такта идет ее отдача в нагрузку.

Ключевой транзистор в однотактной схеме работает в четыре раза более напряженном режиме, чем ключевой транзистор в двухтактной схеме.

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.

В автономной переносной и передвижной радиоаппаратуре, потребляющей сравнительно небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются работающие независимо от внешней сети источники постоянного тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Иногда для функционирования радиоаппаратуры возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.

В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются MOS FET и IGBT транзисторы и тиристоры. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора, соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение U вых, которое может существенно отличаться от напряжения на входе U BX ,, т.е. конвертор - это своеобразный трансформатор постоянного напряжения.

При высоком значении питающего напряжения, а также при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.

По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой импульсные автогенераторы. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

1. Преобразователи с самовозбуждением

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они нашли применение как маломощные автономные источники, электропитания и как задающие генераторы мощных преобразователей, Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением

На вход преобразователя подается постоянное питающее напряжение U BX . В автогенераторе постоянное напряжение преобразуется в напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов.

Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя, после которого на выходе преобразователя (конвертора) получим требуемое по величине и напряжение постоянного тока U вых . При прямоугольной форме импульсов выпрямленное напряжение по форме близко к постоянному, вследствие чего упрощается сглаживающий фильтр выпрямителя.

2. Однотактный преобразователь напряжения.

В основе работы схемы (рис. 2), как и большинства преобразователей, лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме.

Рис. 2. Однотактный полупроводниковый преобразователь

напряжения с самовозбуждением

В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора ω к, в эмиттерно-базовую цепь - обмотка обратной связи ω б. Поскольку обмотки ω к и ω б размещаются на одном магнитопроводе, то существующая между ними магнитная связь и порядок подключения концов обмоток обеспечивают в итоге положительную обратную связь в автогенераторе.

При подключении источника постоянного тока U BX в цепи коллектора транзистора VT и в обмотке ω к начинает: протекать ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот поток, воздействуя на обмотку обратной связи ω б, наводит в ней ЭДС самоиндукции, причем обмотка ω б включается, относительно обмотки ω к таким образом, чтобы ЭДС, наведенная в ней, еще больше открыла транзистор (для р-п-р транзистора на базе относительно эмиттера создается дополнительное отрицательное напряжение). Когда магнитный поток достигнет насыщения, исчезнут ЭДС и токи в обмотках, появится противо-ЭДС, запирающая транзистор, и процесс начнется сначала. Необходимо отметить, что при открытом транзисторе VT вследствие небольшого значения его внутреннего сопротивления весьма небольшим будет падение напряжения на нем, даже при токе, равном току насыщения. Поэтому в этом случае практически все входное напряжение U BX приложено к первичной коллекторной обмотке трансформатора ω к.

В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора ω к потечет ток, импульсы которого будут иметь почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку трансформатора ω вых трансформируются импульсы той же формы, частоты следования и полярности; эти импульсы используются для получения выпрямленного напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Резистор R Р Б в базе транзистора ограничивает ток базы.

Преобразователи описанного типа целесообразно применять при высоком значении выходного напряжения U B Ы X и малых токах, в частности, для питания высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках. Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание магнитопровода, обусловленное тем, что ток по коллекторной (первичной) обмотке трансформатора течет только в одном направлении, Постоянное подмагничивание ухудшает условия передачи мощности из первичной обмотки трансформатора во вторичную, и поэтому однотактные автогенераторы используют при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.