Ю. Владимиров, Москва

Введення

Будь-якому електронному пристрою необхідне джерело живлення. Для більшості електронних пристроїв, що живляться від мережі 220 В, це джерело повинен відповідати таким вимогам:

• гальванически розв’язати первинну і вторинні кола;

• видавати одне або кілька стабілізованих напруг, причому ці напруги повинні залишатися в межах норми при можливих коливаннях напруги живильної мережі і змінах навантаження;

• бути захищеним від перевантажень і; коротких замикань і автоматично відновлювати працездатність при знятті навантаження;

• не створювати кидків струму в мережі живлення при включенні або виключенні;

• Не бути джерелом перешкод;

• мати високий ККД, що знімає проблеми з відведенням тепла; , Бути по можливості простим у виготовленні і налаштуванні;

• бути недорогим. ^

Класичний гранично простий лінійний стабілізатор є прийнятним вирішенням цієї проблеми при вихідних токах до сотень мА. Але якщо потрібно вихідний струм 1 А і більше, то починаються складності. ККД лінійного стабілізатора рідко перевищує 50%. При вихідній напрузі 5 В і струмі 3 А такий стабілізатор розсіює до 15 Вт – тому доводиться застосовувати дорогі, громіздкі і важкі радіатори, ускладнювати конструкцію і т. д.

В даний час широко використовуються імпульсні джерела живлення. У них мережеве напруга випрямляється, перетвориться в короткі імпульси, наступні з великою частотою, і в такому вигляді подаються на трансформатор. Формування імпульсів виконується транзисторними ключами, що забезпечує малі втрати потужності. Частота перетворення вибирається зазвичай в межах десятків-з-

тен кГц. При цьому трансформатор виявляється у багато разів менше, ніж при частоті мережі 50 Гц. Після трансформатора напруга вторинної обмотки випрямляється і видається в навантаження. У такому перетворювачі досить просто здійснити стабілізацію вихідної напруги за рахунок зміни тривалості формованих імпульсів за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Реально досяжний ККД при цьому досягає 90%. Широкий вибір порівняно недорогих спеціалізованих мікросхем для імпульсних джерел дозволяє знизити їх вартість.

На жаль, в літературі практично немає простих і ясних методик і рекомендацій, що дозволяють грамотно проектувати імпульсні джерела живлення. Ця стаття – це спроба в якійсь мірі заповнити пробіл. В першу чергу вона адресована тим, хто вперше вирішив виготовити імпульсний джерело, а також тим, кому ніколи розбиратися в нетрях теорії, а потрібен готовий результат. Для читання статті потрібні знання фізики та електроніки в обсязі середньої школи (за умови, звичайно, що людина читав «Радіо», «схемотехніки» та інші подібні видання). При написанні основний упор робився не на створення глобальних теорій, а на отримання робочих формул, зручних для інженерного проектування. Крім розрахункового матеріалу, наводиться багато практичних рекомендацій, заснованих на досвіді проектування і виготовлення подібних типів джерел.

У статті розглядається найпоширеніший клас імпульсних джерел – обратноходового перетворювачі.

1. Коротка теорія роботи обратноходових перетворювачів

Основу кожного імпульсного джерела живлення становить імпульсний перетворювач. Імпульсний перетворювач – це пристрій, в якому вхідна напруга допомогою періодичного замикання і розмикання силових ключів перетворюється в імпульси з досить високою частотою проходження (зазвичай десятки кГц і більше). Далі імпульси передаються через імпульсний трансформатор у вторинну ланцюг і випрямляються. Всі силові елементи імпульсного перетворювача працюють у ключовому режимі «включений / виключений», тому, на відміну від лінійних схем, втрати невеликі, і досягається високий ККД. Стараннями тисяч розробників напрацьовано безліч типів імпульсних перетворювачів – однотактний, двотактні і мостові, з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) і з частотно-імпульсною модуляцією (ЧИМ), з поворотними обмотками і без таких і ще безліч інших. Дая перетворювачів з вихідною потужністю до 100 Вт найчастіше використовуються однотактний схеми, оскільки для їх реалізації, крім схеми управління, потрібно всього один потужний транзистор. Існують дві основні схеми однотакгних перетворювачів – прямоходовой і обратноходового перетворювач. Найбільшого поширення набув обратноходового перетворювач.

Рис. 3.2. Форма напруг і струмів обратноходового перетворювача

Рис. 3.1. Спрощена схема обратноходового перетворювача

У ньому передача енергії в ланцюг навантаження здійснюється за розімкнутого стану ключа («на зворотному ході циклу»). При замкнутому ключі («прямий хід») здійснюється накопичення енергії в магнітному полі сердечника. У прямоходового преобразователе передача енергії в вихідний ланцюг відбувається «на прямому ході циклу» – при замкнутому стані ключа.

Спрощена схема обратноходового перетворювача наведена на рис. 3.1. Форма напруг і струмів показана на рис. 3.2.

Схема складається з ключа S, трансформатора Тр, діода VD і конденсатора фільтра Зф. Ключ S періодично замикається і розмикається з періодом перемикання Т. Час замкнутого стану – tp. Первинна обмотка трансформатора Тр містить п, витків і має індуктивність L1. Вторинна – відповідно п2 і L2. Втрати в трансформаторі зневажливе

мо малі. Щоб надмірно не ускладнювати аналіз роботи перетворювача покладемо, що діод D відкривається і закривається миттєво і має нульове пряме падіння напруги, а конденсатор Сф має таку велику ємність, що за період перемикання Т він не встигає помітно перезарядитися, т. е. напруга на ньому практично не змінюється. Покладемо, що перехідні процеси закінчилися і конденсатор З заряджений до напруги U ^ ,.

За час відкритого стану ключа tp прирощення струму ключа dl, дорівнюватиме

При замиканні ключа S через нього починає протікати струм, який збільшується за законом

Обмотки намотані таким чином, що напруга U2 на вторинній обмотці трансформатора при відкритому ключі негативне. Тому діод D закритий, і струм в ланцюзі вторинної обмотки не тече. При цьому в магнітному полі сердечника трансформатора запасається енергія

Коли ключ S розмикається, напруга на вторинній обмотці стає позитивним, напруга U2 на аноді діода стає позитивним, діод D відкривається і через нього починає протікати струм Id. Запасені в магнітному полі енергія передається через діод в навантаження і конденсатор С:

Запасені енергія видається в ланцюг навантаження через вторинну обмотку, яка при розімкнутому ключі підключена тільки до навантаження (через діод). Первинна обмотка при цьому розімкнути і не впливає на вторинну. Тобто виявляється, що трансформатор на «зворотному ході» зовсім не трансформатор, а просто індуктивність L2, в магнітному полі якої запасена енергія Е * ,, і ця індуктивність віддає запасену енергію в навантаження. Говорячи простіше – трансформатор на «зворотному ході» перетворюється на дросель з індуктивністю, рівної індуктивності вторинної обмотки. Це одне з достоїнств обратноходового перетворювача в порівнянні з прямоходового – в останньому в ланцюзі випрямного діода обов’язково повинен бути включений дросель. Це гідність особливо стає помітним, якщо пре- • ^ рюсгкйель виробляє кілька вихідних напруг і має декілька вторинних обмоток і кілька випрямлячів.

Але повернемося до опису роботи обратноходового перетворювача. У сталому режимі

т. е. скільки енергії запасено магнітним полем за час відкритого стану ключа, стільки і передається в навантаження за час закритого стану ключа. Підставляючи 1.3 і 1.4 в 1.5 і враховуючи, що

неважко отримати вирази для вихідної напруги UBbIX і напруги ір (Рис. 3.2, а):

! У формулах 1.7,1.8 введена величина робочого циклукото-

| Раю буде використовуватися далі. Слід особливо відзначити, що вихідна напруга іш прямо залежить від величини «добавки напруги» Up, а не від вхідної напруги U “. Змінюючи величину робочого циклу D (т. Е. Змінився щодо ширину імпульсу струму ключа), можна змінювати вихідна напруга іш.

Далі можна вивести вирази для струмів. Введемо поняття середнього імпульсного струму ключа 1 “і середнього імпульсного струму діода 1 * (рис. 3.2, а). Для цих струмів справедливі відносини:

Звідси середній імпульсний струм ключа S:

Середній струм, споживаний від джерела Un:

Середній імпульсний струм діода:

Джерело: За редакцією А. Я. Гріфа, Оригінальні схеми і конструкції. Творити разом! – М .: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с .: іл. – (Серія «СОЛОН – радіоаматори», вип. 23)