Схема компенсирующего преобразователя представлена на рис. 13.31, а. Переключением транзистора Ts управляет широтно-импульсный модулятор. Транзистор открыт в течение времени tвкл и закрыт в течение времени tвыкл (рис. 13.31, б). За время tвкл ток Iвкл течет от входа через индуктивность L и заряжает сглаживающий конденсатор С. При этом диод заперт. Когда транзистор выключен, ток Iвыкл продолжает течь через индуктивность, далее через диод и продолжает заряжать конденсатор в течение времени tD.
Через некоторое время t0, которое зависит от скорости изменения Iвыкл и времени цикла переключения T, ток через индуктивность станет равен нулю. Скорость изменения тока I за время tвкл запишется как:
Скорость изменения тока Iвыкл за времяtDбудет:
Суммарное изменение тока за время tDбудет:
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 Ts включен, ток Iвкл течет по первичной обмотке трансформатора и вызывает ток во вторичной обмотке. Этот ток поступает на диод Dv далее на индуктивность L и заряжает конденсатор С. Когда транзистор Ts выключен, ток Iвыкл 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 Ts закрыт (в это время диод D1 также закрыт). Ток с третьей обмотки протекает через диод Ds 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 tD), 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 Ср в первичной обмотке восстанавливает равенство времени включения транзисторов.