Вихідний струм перетворювача:

Неважко помітити, що

т. е. перетворювач являє собою ідеальний трансформатор постійної напруги в постійне:

Отримані вирази дозволяють розрахувати всі струми і напруги в схемі перетворювача і таким чином визначити вимоги до компонентів. У подальшому вони будуть використані як робочі формули при практичних розрахунках.

На додаток до отриманих формулах треба визначити величину зворотної напруги на діоді (щоб при реальному проектуванні можна було правильно вибрати тип діода VD):

I

На рис. 3.2, d показані пульсації вихідної напруги (для наочності амплітуда пульсацій збільшена по відношенню до величини U “”). З малюнка видно, що форма пульсацій близька до пилкоподібної. При закритому діоді VD конденсатор Сф розряджається і вихідна напруга зменшується на величину Ц ^ ,. При відкритому діоді частина струму діода заряджає конденсатор Сф і вихідна напруга йод збільшується.

Для того щоб перетворити розглянутий перетворювач в повноцінний стабілізований джерело напруги, необхідно ввести в нього схему управління (рис. 3.3). Вона повинна виробляти імпульси управління роботою ключа. При зменшенні вихідної напруги (наприклад, при збільшенні струму навантаження 1ш, Або зменшенні напруги живлення UJ схема управління повинна збільшувати тривалість відкритого стану ключа tp) т. е. величину робочого циклу D. Цри цьому збільшиться величина «добавки напруги» ір (Вираз (1.8)) і тому збільшиться вихідна на-

Рис. 3.3. Принципова схема управління роботою ключа пряжение івих (Вираз (1.9)).

При збільшенні вихідної напруги схема управління повинна зменшити величину робочого циклу D, що призведе до зменшення вихідної напруги.

2. Відмінність реальних перетворювачів від теоретичної моделі

Осцилограми, зняті на реальному перетворювачі, істотно відрізняються від графіків рис. 3.2. Основні причини цього наступні:

• не вся енергія, запасна в магнітному полі трансформатора у відкритому стані ключа, передається у вторинну ланцюг при розмиканні ключа. Це викликано тим, що в реальних трансформаторах зв’язок між обмотками не повністю, тому, частина збереженої енергії не може потрапити у вторинну обмотку. Величина такої неповної зв’язку характеризується індукції; тивностью розсіювання трансформатора Lpac – т. е. індуктивно; стю, пов’язаної з первинною обмоткою, в якій запасається] частина енергії, але не передається у вторинну обмотку;

• обмотка реального трансформатора має паразитную ємність, включену паралельно обмотці. Бе можна дещо зменшити вибором конструкції, але зменшити до нуля неможливо;

• у реального трансформатора існує межобмоточная ємність;

• реальний ключ – це зазвичай транзистор, і як будь транзистор, він має цілком певне, відмінне від нуля опір у відкритому стані;

• реальний діод має пряме падіння напруги, Udnp, Від 0,3 В для діодів Шотткі до 1 В для імпульсних швидких діодів;

• реальний діод має паразитную ємність, включену паралельно діоду (рис. 3.4, о);

Коли ключ відкритий, струм через нього зростає і, відповідно, зростає падіння напруги на опорі ключа Rs. Цей ефект особливо помітний у МОП-транзістов, які у відкритому стані є активними опорами. При розмиканні ключа первинна обмотка виявляється розімкнутої. Оскільки до розмикання ключа через цю обмотку протікав струм і не вся енергія, збережена в магнітному полі сердечника передається в ланцюг вторинної обмотки, на первинній обмотці утворюється позитивний викид напруги. Величина цього викиду, залежно від якості трансформатора і швидкості закривання ключа, може ‘ перевищувати величину напруги U “в кілька разів. Для мережевих джерел цей викид може досягати декількох кВ.

• реальний конденсатор має індуктивність і опір виводів (рис. 3.4, 6).

На рис. 3.3 показані напруги, які можна спостерігати в реальному перетворювачі.

Рис. 3.4. Еквівалентна схема реального діода і конденсатора

Рис. 3.5. Графік напруги в реальному перетворювачі

Первинна обмотка зі своєю паразитної ємністю Сп утворює коливальний контур. Викид напруги при розмиканні ключа здійснює ударне збудження цього контуру – в обмотці виникають затухаючі коливання на частоті резонансу паразитного контуру. При стовідсотковій зв’язку між обмотками ці коливання ефективно гасилися б за рахунок навантаженості вторинної обмотки.

Після затухання паразитних коливань на розімкнутому ключі S встановлюється напруга U “+ U ..

Форма напруги на вторинній обмотці під час разомкнутого стану ключа близька до теоретичної, але напруга на аноді діода перевищує IV на величину прямого падіння напруги на діод, IV

При черговому замиканні ключа S напруга на вторинній обмотці стає негативним і діод D закривається. Ланцюг вторинної обмотки розмикається. На вторинній обмотці утворюється викид ЕРС самоіндукції і далі – затухаючі паразитні коливання. –

У реальному джерелі різко змінюється форма пульсацій вихідної напруги (рис. 3.S, с). По-перше, затухаючі коливання напруг на обмотках через паразитні ємності (межобмоточную і ємність діода) проходять на вихід. Оскільки конденсатор фільтра має паразитні індуктивність і опір, включені послідовно з його висновками, паразитні коливання повністю не фільтруються конденсатором. По-друге, нахил лінійної частини пульсацій має інший знак по відношенню до теоретичного нагоди. Це викликано падінням напруги на опорі висновків конденсатора. На початку циклу подзаряда конденсатора зарядний ток більше – і. падіння напруги більше. У міру заряду конденсатора зарядний струм зменшується, що викликає зменшення падіння напруги на внутрішньому опорі конденсатора. При розряді конденсатора, коли ключ S замкнутий, ток змінює знак, що викликає стрибок напруги на конденсаторі. Тому форма напруги (рис. 3.5, с) – це сума трьох напруг:

• напруги, представленого на рис. 3.2, е («теоретичного»);

• падіння напруги на опорі висновків конденсатора при його заряді і розряді;

• пройшли через паразитні ємності коливань.

З викладеного видно, що реальність підносить безліч небажаних ефектів. З деякими з них можна змиритися, але такий ефект, як викид напруги при розмиканні ключа, в мережевих джерелах без прийняття спеціальних заходів призводить до того, що використовується в якості ключа транзистор пробивається при першому ж перемиканні. Основні прийоми усунення небажаних ефектів в обратноходового перетворювачі будуть розглянуті нижче. .

2. Мікросхеми ТОР23х, ТОР24х, сімейства TOPSwitch

В даний час випускається безліч спеціалізованих мікросхем для імпульсних джерел живлення. Серії мікросхем ТОР23х і ТОР24х сімейства TOPSwitch розроблені для використання в обратноходових мережевих імпульсних джерелах живлення з вихідною потужністю до 250 Вт Найбільш розвиненою є серія

ТОР24х, в яку входить 8 мікросхем. Кожна мікросхема серії ТОР24х містить потужний високовольтний МОП-транзистор і схему управління. До складу схеми управління ТОР24х входять практич скі всі необхідні для реалізації джерела живлення пристрою – ШІМ-модулятор, джерело опорної напруги, схеми захисту від перевантажень і перегріву і т. д. Крім того, в схему ‘управління додані пристрою, що надають розробнику деякі додаткові можливості. Функціонально всі мікросхеми серії ТОР24х ідентичні і відрізняються тільки максимальним струмом стоку МОП-транзистора. Мікросхеми серії ТОР23х (три типи) аналогічні мікросхемам серії ТОР24х з деякими обмеженнями можливостей, розглянутими нижче. Надалі по тексту мікросхеми цих двох серій будуть іменуватися ТОР.

Мікросхеми серій ТОР24х і ТОР23х докладно описані в багатьох друкованих роботах, наприклад [1], [2], [3], тому в цій статті наведені тільки основні характеристики, необхідні для розуміння тонкощів їх роботи і достатні для грамотного проектування джерел живлення на цих мікросхемах.

2.1.                                                                                                                                                               Загальні характеристики

ТОР надають розробникові джерела живлення наступні можливості:

• вибрати одну з двох частот перемикання перетворювача – 132 або 66 кГц;

• встановити напругу запуску й зупинки джерела (напряже- \ ня запуску – це мінімальна величина напруги U, *, ні-

‘Ж якої джерело не запускається; напруга зупину – це така напруга υ “χ, при перевищенні якого перетворювач джерела зупиняється);

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