5.4 Однотактні перетворювачі напруги

5.4.1 Однотактний перетворювач напруги з прямим увімкненням діода випрямлення (опнп)

Схема принципова електрична ОПНП наведена на рисунку 5.6, а часові діаграми роботи – на рисунку 5.7 [2, 3, 14].

При подачі керуючого позитивного імпульсу на базу транзистора VT1 він відкривається. Струм трансформується до вторинної обмотки і через діод VD2 та дросель L1 надходить до навантаження. Одночасно енергія накопичується в дроселі L1 і конденсаторі Сн.

Рисунок 5.6 – Схема електрична принципова ОПНП

Після закінчення імпульсу керування транзистор закривається, а напруга на дроселі міняє знак і починає наростати. Коли вона досягає величини , відкривається діодVD3 і енергія дроселя починає передаватися до навантаження, заряджаючи одночасно конденсатор Сн.

Рисунок 5.7 – Часові діаграми роботи ОПНП

Як і для ДПН, для цієї схеми характерними є режими неперервних та перервних струмів.

Так як трансформатор на відміну від попередніх схем працює тут у режимі однополярного намагнічування, то для його розмагнічування під час паузи уведені діодVD1 і обмотка розмагнічування . У випадку її відсутності необхідно було б збільшувати масу та розміри сердечника.

Енергія, яка запаслась у обмотці , повертається до джерела живлення по ланцюгу: середня точка трансформатора – джерело живлення – діодVD1 – крайній вивід трансформатора. Рекуперація енергії підвищує коефіцієнт корисної дії ОПНП.

Напруга на колекторі транзистора VТ1 при наявності обмотки розмагнічування і рівній кількості витків у обмотках дорівнює

.

При використанні в перетворювачі частотно-імпульсної модуляції тривалість керуючих імпульсів буде постійною, тому для розмагнічування сердечника паралельно обмотці трансформатора можна увімкнути конденсатор, який, розряджаючись під час паузи, буде джерелом струму протилежного напряму і забезпечить розмагнічування.

Вихідна напруга ОПНП у режимі безперервних струмів дорівнює [3]:

, (5.5)

а максимальний струм колектора .

У ОПНП амплітуда імпульсу струму колектора, ємність конденсатора фільтра Сн, індуктивність дроселя більші, ніж у ДПН. Використовують ОПНП при потужності та вихідній напрузі від десятків до сотень ватт та вольт.

5.4.2 Однотактний перетворювач напруги зі зворотним увімкненням діода випрямлення (опнз)

ОПНЗ відрізняється простотою і містить транзистор, що працює у ключовому режимі, діод і трансформатор (рисунок 5.8) [2, 3, 14]. Силовий трансформатор одночасно виконує функцію накопичення енергії від джерела живлення і забезпечує гальванічну розв’язку навантаження і вхідного кола.

Рисунок 5.8 – Схема електрична принципова ОПНЗ

На протязі тривалості імпульсу керування транзисторVТ1 відкритий, струм в первинній обмотці трансформатора ТР1 зростає і в ній накопичується енергія. Діод VD1 при цьому закритий. Напруга на навантаженні підтримується конденсатором Сн.

Після закриття транзистора полярність напруги на обмотці міняється і енергія, яка накопичилась у трансформаторі, надходить через діодVD1 до навантаження, а також заряджає конденсатор Сн. У схемі можливі режими неперервних та перервних струмів. В останньому випадку струм індуктивності за час паузи зменшується до нуля.

В ОПНЗ процес перенесення енергії до навантаження відбувається в два етапи, розділені у часі. Спочатку енергія накопичується в індуктивності, а під час паузи, тривалістю (при відключеному вхідному колі), вона віддається до навантаження. У цьому полягає основна відмінність роботи ОПНЗ від ОПНП, де передача енергії до навантаження відбувається при відкритому ключі. Напруга на закритому транзисторі дорівнює [3]:

. (5.6)

Вихідну напругу для випадку безперервних струмів і великій індуктивності трансформатора та при малих втратах енергії визначимо з умови рівності енергії, що запасається в індуктивності і віддається у навантаження:

,

. (5.7)

Залежність вихідної напруги від часу відкритого стану транзистора (5.7) дозволяє досить просто виконати її стабілізацію. Наявність у ОПНЗ паузи, на протязі якої незмінність забезпечується тільки конденсаторомСн, робить його режим роботи більш напруженим, ніж у розглянутих перетворювачів. Характер комутаційних процесів в ОПНЗ в основному ідентичний з процесами в ДПН.

Сучасні електролітичні конденсатори мають внутрішній еквівалентний послідовний опір втрат біля десятих часток ома. Тому допустимі значення імпульсного струму через конденсатори визначаються їх розігріванням від падіння напруги на еквівалентному опорі. Для зменшення активного опору використовують паралельне увімкнення конденсаторів.

На частотах перемикання, більших 20…30 кГц, застосування у перетворювачах електролітичних конденсаторів недоцільно, так як вони мають великий індуктивний паразитний опір. При підвищених частотах комутації використовують керамічні або плівкові конденсатори

Додатково згладити пульсації перетворювача можна увімкнувши після конденсатора LC-фільтр.

Часто ОПНЗ використовують для отримання декількох гальванічно розв’язаних вихідних напруг, які знімають з окремих вторинних обмоток силового трансформатора. На рисунку 5.9 зображена схема ОПНЗ з трьома вихідними джерелами напруги. Одне з них гальванічно не зв'язане зі вхідним і вихідним джерелами, а два інші забезпечують позитивну і негативну відносно загального провідника напругу.

Рисунок 5.9 – Схема електрична принципова ОПНЗ

з трьома вихідними джерелами напруги

Всі розглянуті перетворювачі можуть виконувати функції стабілізаторів, якщо увести коло зворотного від'ємного зв’язку і формувати сигнали керування з врахуванням змін вихідної напруги.