Новинний та аналітичний портал "Час електроніки". Двотактні перетворювачі 2 х тактні перетворювачі в джерелах живлення

Цей недолік відсутній у двотактних схемах автогенераторів, які дозволяють не тільки збільшити ККД перетворювача, але й отримати імпульси напруги, за формою ближчі до прямокутної, що спрощує фільтр, що згладжує, і забезпечує більшу сталість випрямленої напруги. У цих схемах доцільно використовувати схеми випрямлення, в яких відсутнє постійне вимушене підмагнічування магнітопроводу (двофазна двопівперіодна з виведенням середньої точки і однофазна бруківка).

У схемах двотактних автогенераторів роль перемикачів виконують транзистори, які по черзі відкриваються і закриваються подібно до транзисторів у схемах симмертичного мультивібратора. Такі схеми можуть бути зібрані із загальним емітером, із загальною базою та загальним колектором. Найбільшого поширення знаходить схема із загальним емітером, яка за малих напруг джерела Uвх дозволяє одержати високий ККД.

Двотактний перетворювач напруги, зібраний за схемою із загальним емітером (рис. 3), складається з двох транзисторів VT 1 VT 2 і трансформатора, що має три обмотки: колекторну (складається з двох напівобмоток К1 і К2), базову (складається з двох напівобмоток Б1 і Б2) і вихідну ВИХ. Як і в однотактному перетворювачі, колекторна обмотка є первинною, а базова - обмоткою зворотного зв'язку.

Мал. 3. Двотактний напівпровідниковий перетворювач напруги, зібраний за схемою із загальним емітером

Магнітопровід трансформатора виконується з матеріалу з прямокутною петлею гістерези (рис. 4, а).

Мал. 4. До принципу дії двотактного перетворювача напруги:

а- петля гістерези магнітопроводу імпульсного трансформатора;

б - діаграми напруг, магнітного потоку та струмів у схемі

Як матеріал для магнітопроводу використовується пермаллою і ферити різних марок. Дільник напруги R 1 R 2 забезпечує запуск перетворювача, оскільки при включенні напруги живлення U вх на резисторі R 1 (рис. 3) з'являється невелике падіння напруги (в середньому 0,7 В), мінус якого прикладений до баз транзисторів. Ця напруга виводить робочу точку транзистора область великих струмів, забезпечуючи самозбудження генератора. Конденсатор 1 підвищує надійність процесу самозбудження. Місткість З 1 підбирається експериментально; значення її у межах від 0,1 до 2 мкФ.

Принцип роботи схеми двотактного перетворювача ось у чому. При включенні напруги живлення Uвх падіння напруги на R 1 відкриє обидва транзистори VT 1 і VT 2 , при цьому внаслідок розкидання параметрів транзисторів струму iК1 та iК2, що протікають за ними, не можуть бути абсолютно однаковими. Допустимо iК1 > iК2 при цьому в магнітопроводі трансформатора виникне магнітний потік, напрямок якого визначається переважним струмом колектора iК1 (рис. 3, напрямок iК1 показано суцільними стрілками). Цей потік наводить ЕРС на всіх обмотках трансформатора (рис. 3, знаки без дужок), причому ЕРС, що наводиться в базових напівобмотках Б1 і Б2, створить на базі VT 1 "мінус", а на базі VT 2 "плюс", що призведе до ще більшої різниці в струмах iК1 та iК2. Завдяки позитивному зворотному зв'язку у схемі процес відкриття VT 1 та закриття VT 2 протікає лавиноподібно і дуже швидко наводить транзистор VT 1 режим насичення. До напівобмотки ω Б1 виявиться доданим напруга

де Uке1 нас -падіння напруги на відкритому транзисторі VT 1 .

Транзистор VT 1 буде відкритий доти, доки магнітний потік трансформатора не досягне значення Ф s (Потік насичення). Як видно із рис. 4, а при прямокутній петлі гістерези трансформатора магнітний потік далі майже не змінюється, залишаючись практично постійним, а, як відомо з теорії трансформаторів (гл. 1), при постійному магнітному потоці в обмотках трансформатора ЕРС наводитися не може. З цієї причини в момент досягнення магнітним потоком значення Ф s зникають (або стають дуже малі) ЕРС у всіх обмотках трансформатора, а відповідно і струми у цих обмотках.

Різке зменшення струмів в обмотках викликає появу них ЕРС протилежної полярності (рис. 3, знаки в дужках), тобто. на базі VT 1 з'явиться позитивна напруга по відношенню до емітера і транзистор VT 1 закриється, а на базі транзистора VT 2 з'явиться негативна напруга по відношенню до емітера, що призводить до відмикання VT 2 і до появи струму iК2 в напівобмотці К2 (напрямок iК2 показано пунктиром). Це викликає збільшення негативної напруги в базі VT 2 та подальше зростання струму iК2; цей процес протікає лавиноподібно і дуже швидко наводить транзистор VT 2 режим насичення. В результаті (при відкритому VT 2) до напівобмотки ω к2 виявиться доданим напруга

Таким чином, напруга на кожній з напівобмоток к1 і к2 визначається формулами (1) і (2) і має форму прямокутних імпульсів (рис. 4, б, графік і до).

Частота генерації перетворювача згідно

де Uке нас -падіння напруги на транзисторі як насичення; U r-падіння напруги на активному опорі половини первинної обмотки трансформатора,; ω до - число витків половини вторинної обмотки (ω до = ω к1 = ω к2); B s-значення індукції насичення, Тл; S c - Площа перерізу магнітопроводу трансформатора.

Як видно з (3), частота генерації перетворення fп залежить від напруги джерела живлення U BX та від струму навантаження I 0 . Справа в тому, що при збільшенні струму навантаження збільшується струм на виході інвертора ( IВих), а отже, зростає струм у первинній обмотці (струм Iк). Збільшення струму Iдо призведе до збільшення падіння напруги у ньому, тобто. U r, і згідно з формулою (3) частота fп зменшиться.

При короткому замиканні на виході перетворювача транзистори VT 1 і VT 2 виходять із режиму насичення і генерація зривається. При усуненні короткого замикання схема легко збуджується; таким чином, дана схема нечутлива до коротких замикань.

Досить потужний і простий двотактний перетворювач напруги можна побудувати із застосуванням двох потужних польових транзисторів. Такий інвертор був неодноразово мною задіяний у різних конструкціях. У схемі застосовані два потужні N-канальні транзистори, їх бажано брати з робочою напругою 100 Вольт, допустимий струм 40 Ампер і більше.

Схема досить популярна у мережі.

Крім транзисторів у схемі маємо ультрашвидкі діоди, можна задіяти діоди, типу UF4007, HER207, HER307, HER308, MUR460 та інші. Два стабілітрони на 12 Вольт для обмеження напруги на затворах польових ключів, стабілітрони бажано брати з потужністю 1 або 1,5 ват, якщо в наявності немає стабілітронів на 12 Вольт, то можна використовувати з напругою стабілізації 9-15 Вольт, не критично.

Обмежувальні резистори бажано взяти з потужністю 0,5 або 1 ват, можливий невеликий перегрів цих резисторів. Про всяк випадок скажу, що первинна або силова обмотка складається з 2х5 витків, намотана шиною з 5 окремих жил по 0,7мм (кожна шина) провід не критичний.

Вторинна обмотка, що підвищує, намотана поверх первинної і складається з 45 витків - цього цілком вистачить для отримання 220 Вольт з урахуванням робочої частоти генератора.

Схема не містить критичних компонентів, розкид елементної бази досить широкий. Транзистори обов'язково встановити на тепловідведення, не забувайте розділити їх від тепловідведення слюдяними прокладками, але це у випадку цілісного тепловідведення.

Дросель може бути намотаний на кільці від вихідних дроселів компового БП, обмотка мотається шиною з 3-х жил дроту 1 мм (кожна), кількість витків від 6 до 12.

Трохи про потужність та заходи безпеки. Вихідна напруга залежить від підключеного навантаження, даний інвертор призначений для роботи з пасивними навантаженнями (лампа, паяльник і т.п.), оскільки вихідна частота в сотні разів більша, ніж частота в мережі.

Для підключення до інвертора активних навантажень, напругу з виходу трансформатора потрібно спочатку випрямити, потім згладити конденсатором електролітичного типу, не забуваємо, що у випрямлячі обов'язково потрібно використовувати швидкі діоди зі зворотною напругою не менше 600 вольт і зі струмом 2 Ампер і більше. Електролітичний конденсатор напруги 400 Вольт, ємність 47-330 мкФ. Потужність інвертора становить 300 Вт!

Будьте гранично обережні- Вихідна напруга після випрямляча з конденсатором смертельно небезпечна!

Найбільшого поширення набули двотактні джерела вторинного електроживлення, хоча мають більш складну електричну схему проти однотактными. Вони дозволяють отримувати на виході значно більшу вихідну потужність за високого ККД.
Схеми двотактних перетворювачів-інверторів мають три види включення ключових транзисторів і первинної обмотки вихідного трансформатора: напівмостова, бруківка і з первинною обмоткою, що має відвід від середини.

Напівмостовасхема побудови ключового каскаду
Її особливістю є включення первинної обмотки вихідного трансформатора до середньої точки ємнісного дільника С1 — С2.

Амплітуда імпульсів напруги на переходах транзисторів емітер-колектор Т1 і Т2 не перевищує Uпіт величини напруги живлення. Це дозволяє використовувати транзистори з максимальною напругою Uек до 400 вольт.
У той самий час напруга на первинної обмотці трансформатора Т2 вбирається у значення Uпит/2, оскільки знімається з дільника С1 — С2 (Uпит/2).
Керуюча напруга протилежної полярності подається на бази ключових транзисторів Т1 та Т2 через трансформатор Тр1.


У бруківціперетворювачі ємнісний дільник (С1 та С2) замінений транзисторами Т3 та Т4. Транзистори у кожному напівперіоді відкриваються попарно по діагоналі (Т1, Т4) та (Т2, Т3).

Напруга на переходах Uек закритих транзисторів не перевищує напруги живлення Uпит. Але напруга на первинній обмотці трансформатора Тр3 збільшиться і дорівнюватиме величині Uпит, що підвищує ККД перетворювача. Струм через первинну обмотку трансформатора Тр3 при тій же потужності, в порівнянні з напівмостової схемою, буде менше.
Через складність у налагодженні ланцюгів управління транзисторів Т1 – Т4, мостова схема включення застосовується рідко.

Схема інвертора із так званим пушпульнимвиходом найкраща в потужних перетворювачах-інверторах. Відмінною особливістю у цій схемі є те, що первинна обмотка вихідного трансформатора Тр2 має висновок від середини. За кожний напівперіод напруги по черзі працює один транзистор та одна напівобмотка трансформатора.

Дана схема відрізняється найбільшим ККД, низьким рівнем пульсацій та слабким випромінюванням перешкод. Досягається це за рахунок зменшення струму в первинній обмотці та зменшення розсіюваної потужності в ключових транзисторах.
Амплітуда напруги імпульсів у половині первинної обмотки Тр2 зростає до значення Uпіт, а напруга Uек на кожному транзисторі досягає значення 2Uпіт (ЕС самоіндукції + Uпіт).
Необхідно використовувати транзистори з високим значенням Uкеmах, що дорівнює 600 – 700 вольт.
Середній струм через кожен транзистор дорівнює половині струму споживання від мережі живлення.

Зворотний зв'язок за струмом або напругою.

Особливістю двотактних схем із самозбудженням є наявність зворотного зв'язку (ОС) з виходу на вхід, струмом або напругою.

У схемі зворотного зв'язку за струмом обмотка зв'язку w3 трансформатора Тр1 включена послідовно з первинною обмоткою w1 вихідного трансформатора Тр2. Чим більше навантаження на виході інвертора, тим більший струм у первинній обмотці Тр2, тим більший зворотний зв'язок і більший базовий струм транзисторів Т1 і Т2.
Якщо навантаження менше мінімально допустимого, струм зворотного зв'язку в обмотці w3 трансформатора Тр1 недостатній для керування транзисторами і генерація змінної напруги зривається.
Іншими словами, при зникненні навантаження генератор не працює.

У схемі зворотного зв'язку за напругою обмотка зворотного зв'язку w3 трансформатора Тр2 з'єднана через резистор R з обмоткою зв'язку w3 трансформатора Тр1. З цього ланцюга здійснюється зворотний зв'язок з вихідного трансформатора на вхід керуючого трансформатора Тр1 і далі базові ланцюга транзисторів Т1 і Т2.
Зворотний зв'язок із напругою слабо залежить від навантаження. Якщо на виході буде дуже велике навантаження (коротке замикання), напруга на обмотці w3 трансформатора Тр2 знижується і може наступити такий момент, коли напруга на базових обмотках w1 і w2 трансформатора Тр1 буде недостатньо для управління транзисторами. Генератор перестане працювати.
За певних обставин це явище може бути використане як захист від короткого замикання на виході.
Насправді широко застосовуються обидві схеми зі зворотним зв'язком ОС як у струмі, і по напрузі.

Двотактна схема інвертора з ОС за напругою

Наприклад, розглянемо роботу найпоширенішої схеми перетворювача-інвертора – напівмостової схеми.
Схема складається з кількох незалежних блоків:

• — випрямний блок – перетворює змінну напругу 220 вольт 50 Гц на постійну напругу 310 вольт;
• — пристрій імпульсів, що запускають – виробляє короткі імпульси напруги для запуску автогенератора;
• — генератор змінної напруги – перетворює постійну напругу 310 вольт на змінну напругу прямокутної форми високої частоти 20 – 100 КГц;
• - Випрямляч - перетворює змінну напругу 20 -100 КГц в постійну напругу.

Відразу після включення живлення 220 вольт починає працювати пристрій запускаючих імпульсів, що представляє собою генератор пилкоподібної напруги (R2, С2, Д7). Від нього запускаючі імпульси надходять з урахуванням транзистора Т2. Відбувається запуск автогенератора.
Ключові транзистори відкриваються по черзі і в первинній обмотці вихідного трансформатора Тр2, включеної в діагональ моста (Т1, Т2 - С3, С4), утворюється змінна напруга прямокутної форми.
З вторинної обмотки трансформатора Тр2 знімається вихідна напруга, випрямляється діодами Д9 - Д12 (двонапівперіодне випрямлення) і згладжується конденсатором С5.
На виході виходить постійна напруга заданої величини.
Трансформатор Т1 використовується передачі імпульсів зворотний зв'язок від вихідного трансформатора Тр2 на бази ключових транзисторів Т1 і Т2.


Двотактна схема ДБЖ має ряд переваг перед однотактною схемою:

• - феритовий сердечник вихідного трансформатора Тр2 працює з активним перемагнічуванням (найповніше використовується магнітний сердечник за потужністю);
• - напруга колектор - емітер Uек на кожному транзисторі не перевищує напругу джерела постійного струму 310 вольт;
• - при зміні струму навантаження від I = 0 до Imax вихідна напруга змінюється незначно;
• - Викиди високої напруги в первинній обмотці трансформатора Тр2 дуже малі, відповідно менше рівень випромінюваних перешкод.

І ще одне зауваження на користь двотактної схеми!

Порівняємо роботу двотактного та однотактного автогенераторів з однаковим навантаженням.
Кожен ключовий транзистор Т1 і Т2 за один такт роботи генератора використовується лише половину часу (одну напівхвилю), другу половину такту «відпочиває». Тобто вся потужність генератора, що виробляється, ділиться навпіл між обома транзисторами і передача енергії в навантаження йде безперервно (то від одного транзистора, то від іншого), під час усього такту. Транзистори працюють у щадному режимі.
В однотактному ж генераторі накопичення енергії у феритовому сердечнику відбувається під час половини такту, у другій половині такту йде її віддача у навантаження.

Ключовий транзистор в однотактній схемі працює у чотири рази більш напруженому режимі, ніж ключовий транзистор у двотактній схемі.

Однією з найпопулярніших топологій імпульсних перетворювачів напруги є двотактний перетворювач або push-pull (у дослівному перекладі – тяги-штовхай).

На відміну від однотактного зворотньоходового перетворювача (flyback), енергія в сердечнику пуш-пула не запасається, тому що в даному випадку це - сердечник трансформатора, а не він служить тут провідником для змінного магнітного потоку, створюваного по черзі двома половинами первинної обмотки.

Тим не менш, незважаючи на те, що це імпульсний трансформатор з фіксованим коефіцієнтом трансформації, напруга стабілізації виходу двотактника все одно може змінюватися за допомогою варіювання ширини робочих імпульсів (за допомогою ).

З огляду на високу ефективність (ККД до 95%) та наявність гальванічної розв'язки первинної та вторинної ланцюгів, двотактні імпульсні перетворювачі широко використовуються в стабілізаторах та інверторах потужністю від 200 до 500 Вт (блоки живлення, автомобільні інвертори, ДБЖ і т.д.).

На малюнку нижче зображено загальну схему типового двотактного перетворювача. Як первинна, так і вторинна обмотки мають відведення від середин, щоб у кожен з двох робочих напівперіодів, коли активний тільки один з транзисторів, була б задіяна своя половина первинної обмотки та відповідна половина вторинної обмотки, де напруга впаде лише на одному з двох діодів.

Застосування двонапівперіодного випрямляча з діодами Шоттки, на виході двотактного перетворювача, дозволяє знизити активні втрати та підвищити ККД, адже економічно набагато доцільніше намотати дві половини вторинної обмотки, ніж нести втрати (фінансові та активні) з діодним мостом із чотирьох діодів.

Ключі первинного ланцюга двотактного перетворювача (MOSFET або IGBT) повинні бути розраховані на подвоєну напругу живлення, щоб витримати дію не тільки ЕРС джерела, а й додаткову дію ЕРС, що наводяться під час роботи один одного.

Особливості пристрою та режиму роботи двотактної схеми вигідно відрізняють її від напівмостової, прямоходової та зворотньоходової. На відміну від напівмостового, тут немає необхідності розв'язувати ланцюг управління ключами від вхідної напруги. Двотактний перетворювач працює як два однотактні прямоходові перетворювачі в одному пристрої.

До того ж, на відміну від прямоходового, духтактного перетворювача не потрібна обмежувальна обмотка, оскільки один із вихідних діодів продовжує проводити струм навіть при закритих транзисторах. Нарешті, на відміну зворотноходового перетворювача, у двотактнику ключі і магнітопровід використовуються більш щадним чином, а ефективна тривалість імпульсів більше.

У вбудованих блоках живлення електронних пристроїв все більш популярні двотактні схеми з керуванням струмом. При такому підході проблема підвищеної напруги на ключах виключається на корені. У загальну джерельне джерело ключів включається резистор-шунт, з якого знімається напруга зворотного зв'язку для захисту по струму. Кожен цикл роботи ключів обмежується тривалістю моментом досягнення струмом заданої величини. Під навантаженням вихідна напруга, як правило, обмежується за допомогою ШІМ.

При проектуванні двотактного перетворювача особливу увагу приділяють підбору ключів, щоб опір відкритого каналу та ємність затвора були якнайменше. Для керування затворами польових транзисторів у двотактному перетворювачі найчастіше застосовують мікросхеми-драйвери затворів, які легко справляються зі своїм завданням навіть на частотах у стогні кілогерців, властивих імпульсним джерелам живлення будь-якої топології.

В автономній переносній та пересувній радіоапаратурі, що споживає порівняно невеликі потужності, як джерела електроенергії використовуються працюючі незалежно від зовнішньої мережі джерела постійного струму низької напруги: гальванічні елементи, акумулятори, термогенератори, сонячні та атомні батареї. Іноді для функціонування радіоапаратури виникає необхідність перетворення постійної напруги одного номіналу на постійну напругу іншого номіналу. Це завдання виконують різні перетворювачі постійного струму, а саме: електромашинні, електромеханічні, електронні та напівпровідникові.

У напівпровідниковому перетворювачі енергія постійного струму перетворюється на енергію прямокутних імпульсів.за допомогою перемикаючого пристрою. Як основні елементи цього пристрою використовуються MOS FET та IGBT транзистори та тиристори. Перетворювачі з виходом на змінному струмі називаються інверторами.Якщо вихід інвертора, з'єднати з випрямлячем, що включає фільтр, що згладжує, то на виході пристрою, званого конвертором,можна отримати постійну напругу Uвих, що може суттєво відрізнятись від напруги на вході U BX, , тобто. конвертор – це своєрідний трансформатор постійної напруги.

При високому значенні напруги живлення, а також за відсутності обмежень по масі і обсягу перетворювачі раціонально виконувати на тиристорах. Напівпровідникові перетворювачі на транзисторах і тиристорах поділяються на нерегульовані та регульовані, причому останні використовуються і як стабілізатори постійної та змінної напруги.

За способом збудження коливаньу перетворювачі розрізняють схеми із самозбудженням та з незалежним збудженням.Схеми з самозбудженням є імпульсні автогенератори. Схеми з незалежним збудженням складаються із генератора, що задає, і підсилювача потужності. Імпульси з виходу генератора, що задає, надходять на вхід підсилювача потужності і керують ним.

1. Перетворювачі із самозбудженням

Перетворювачі із самозбудженням виконуються на потужності до кількох десятків ват. У радіопристроях вони знайшли застосування як малопотужні автономні джерела, електроживлення і як генератори, що задають потужних перетворювачів, Структурна схема перетворювача з самозбудженням наведена на рис. 1.

Мал. 1. Структурна схема перетворювача напруги із самозбудженням

На вхід перетворювача подається постійна напруга живлення U BX. В автогенераторі постійна напруга перетворюється на напругу, що має форму прямокутних імпульсів.

Прямокутні імпульси за допомогою трансформатора змінюються по амплітуді та надходять на вхід випрямляча, після якого на виході перетворювача (конвертора) отримаємо необхідну за величиною та напругу постійного струму Uвих . При прямокутній формі імпульсів випрямлена напруга формою близько до постійного, внаслідок чого спрощується згладжує фільтр випрямляча.

2. Однотактний перетворювач напруги.

В основі роботи схеми (рис. 2), як і більшості перетворювачів, лежить принцип переривання постійного струму первинної обмотці імпульсного трансформатора за допомогою транзистора, що працює в ключовому режимі.

Мал. 2. Однотактний напівпровідниковий перетворювач

напруги із самозбудженням

У колекторний ланцюг транзистора включена первинна обмотка трансформатора ω до, емітерно-базовий ланцюг - обмотка зворотного зв'язку ω б. Оскільки обмотки ω до і ω б розміщуються одному магнитопроводе, то існуюча з-поміж них магнітна зв'язок і порядок підключення кінців обмоток забезпечують у результаті позитивну зворотний зв'язок в автогенераторе.

При підключенні джерела постійного струму U BX в колі колектора транзистора VT і в обмотці до починає: протікати струм, який викликає наростаючий магнітний потік в магнітопроводі імпульсного трансформатора. Цей потік, впливаючи на обмотку зворотного зв'язку б, наводить в ній ЕРС самоіндукції, причому обмотка б включається, щодо обмотки так, щоб ЕРС, наведена в ній, ще більше відкрила транзистор (для р-п-ртранзистора з урахуванням щодо емітера створюється додаткове негативне напруга). Коли магнітний потік досягне насичення, зникнуть ЕРС та струми в обмотках, з'явиться проти-ЕРС, що замикає транзистор, і процес розпочнеться спочатку. Необхідно відзначити, що при відкритому транзисторі VT внаслідок невеликого значення його внутрішнього опору дуже невеликим буде падіння напруги на ньому, навіть при струмі, що дорівнює струму насичення. Тому в цьому випадку практично вся вхідна напруга U BX прикладено до первинної колекторної обмотки трансформатора ω до.

В результаті періодичного включення транзистора по первинній обмотці трансформатора до потече струм, імпульси якого будуть мати майже прямокутну форму. У вторинну обмотку трансформатора вих трансформуються імпульси тієї ж форми, частоти слідування і полярності; ці імпульси використовуються для отримання випрямленої напруги за допомогою однонапівперіодного випрямляча. Резистор RРБ у основі транзистора обмежує струм бази.

Перетворювачі описаного типу доцільно застосовувати при високому значенні вихідної напруги U B X і малих струмах, зокрема, для живлення високовольтного анода в електронно-променевих трубках. Основним недолікомоднотактної схеми автогенератора є постійне підмагнічування магнітопроводу, обумовлене тим, що струм по колекторній (первинній) обмотці трансформатора тече тільки в одному напрямку, Постійне підмагнічування погіршує умови передачі потужності з первинної обмотки трансформатора у вторинну, і тому однотактні автогенератори використовують при малих потужностях. ), коли невисокий ККД не є визначальним фактором.