Преобразователи с трансформаторной развязкой

В автономных источниках питания, предназначенных для работы непосредственно от сети переменного тока, необходимо использовать трансформаторы с целью гальванической развязки (передачи энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними) нагрузки от сети.В Табл. 1 приведены диапазоны мощностей и сложность для каждого из типов преобразователей. Любой из них может также применяться и за пределами указанных диапазонов, но в этом случае возрастают трудности при проектировании эффективного источника питания.

Таблица 1 Схема Диапазон мощностей Относительная сложность Обратноходовая 1 Вт... 100 Вт Низкая Прямоходовая 1 Вт... 200 Вт Средняя Двухтактная 200 Вт... 500 Вт Средняя Полумостовая 200 Вт... 500 Вт Высокая Мостовая 500 Вт... 2000 Вт Очень высокая

Автономный сетевой источник питания по сути представляет собой источник постоянного тока (DC), который питает преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение (DC/DC) с трансформаторной развязкой.

Рис. 5. Идеализированная модель однотактного обратноходового преобразователя

Первичная обмотка дросселя используется для накопления электромагнитной энергии, как в повышающем преобра­зователе. Обратите внимание, что фазировка обмоток противоположна той, что имеется в обычном трансформаторе. При замкнутом ключе происходит накопле­ние энергии в сердечнике дросселя и во вторичной обмотке ток не течёт. Когда ключ размыкается, начинает течь ток во вторичной обмотке и энергия отдаётся в нагрузку. Напряжение на выходе определяется соотношением витков, как в трансформаторе. Обратноходовой преобразователь является единственным (из работающих непосредственно от сети переменного тока) преобразователем, в ко­тором используется дроссель; во всех остальных применяется трансформатор. Одним из достоинств обратноходового преобразователя является то, что нет не­обходимости в дополнительном сглаживающем фильтре. Энергия, накопленная в дросселе, «сбрасывается» непосредственно в конденсатор и нагрузку. В этом заключается также и недостаток, потому что в процессе накопления дросселем энергии ток в нагрузку поступает только из конденсатора. Напряжение пульсаций в обратноходовом преобразователе сравнительно велико, что требует применения выходного конденсатора большой ёмкости.

На Рис. 6 изображён однотактный прямоходовой преобразователь. Когда ключ замкнут, ток течёт как в цепи первичной, так и в цепи вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки «заряжает» дроссель фильтра, как в понижающем преобразователе. Когда ключ размыкается, ток в дросселе, согласно уравнению (1), должен по-прежнему течь. Этому способствует коммутирующий диод D2 во вторичной цепи, который играет ту же роль, что и в понижающем преобразователе.

Реальные трансформаторы обладают ещё и паразитной индуктивностью, которую можно представить в виде дросселя, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Первичный ток, текущий через эту паразитную катушку индуктивности, при размыкании ключа должен в соответствии с уравнением (1) продолжать течь.

D1 Рис. 6. Идеализированная модель однотактного прямоходового преобразователя

Когда ключ размыкается, ток и первичной, и вторичной обмотки прекращается. Ограничительная обмотка (на схеме слева) включена противофазно первичной и вторичной обмоткам, поэтому, когда ток в них перестаёт течь и магнитный поток в сердечнике трансформатора уменьшается, начинает течь ток в ограничительной обмотке. Этот ток размагничивает сердечник до остаточного значения магнитной индукции и обеспечивает его готовность к отработке следующего импульса. Ограничительная обмотка играет точно такую же роль, что и вторичная обмотка в обратноходовом преобразователе: она отдаёт энергию паразитной индуктивности обратно в первичный источник питания.

На Рис. 7 изображён полумостовой преобразователь. Эта схема является вы­соковольтным аналогом двухтактного каскада транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Рис. 7. Идеализированная модель полумостового преобразователя

Ключи замыкаются по очереди, благодаря чему на первичной обмотке трансформатора формируется двухполярное напряжение. Это обусловливает необ­ходимость использования на выходе двухполупериодного выпрямителя. Ограни­чительная обмотка трансформатора не нужна, так как протекание тока вторичной обмотки обеспечивается наличием противофазно включённых выходных диодов. Конденсаторы образуют делитель напряжения, задающий на одном из выводов первичной обмотки половину входного напряжения. Эти конденсаторы всегда являются составной частью первичного источника постоянного тока (DC), поэтому они выполняют двойную функцию: делителя напряжения и накопителя заряда.

Синхронное выпрямление

Во всех рассмотренных в этой главе схемах диоды используются в качестве ключей, управляемых напряжением. Смещённые в обратном направлении, они представляют собой разомкнутые ключи, а в прямом направлении – замкнутые. В качестве ключей могут также выступать полевые МОП-транзисторы. Если напряжение затвор-исток достаточно для отпирания транзистора, ток может течь через транзистор в том или другом направлении. Полевые транзисторы, применяемые в качестве ключей, имеют сопротивление в открытом состоянии от 0.01 Ом и ниже. Падение напряжения на диоде Шотки при токе 5 А составляет примерно 0.4 В, а мощность рассеяния – 2 Вт. Полевой транзистор с сопротивлением 0.01 Ом при токе 5 А рассеивает мощность 0.25 Вт. Поэтому применение полевого транзистора существенно повышает эффективность преобразователя. На Рис. 8 изображён понижающий стабилизатор с использованием синхронного выпрямителя и идеальных пассивных компонентов. В этой схеме используется интегральная микросхема – идеальный контроллер понижающего преобразователя, который управляет полевыми транзисторами и обеспечивает обратную связь по напряжению. Когда открывается Q1, закрывается Q2, и наоборот. В этом примере показан только понижающий преобразователь, но подобным образом можно заменить диоды полевыми МОП-транзисторами во всех типах преобразователей.

 

Рис. 8. Понижающий преобразователь с использованием в качестве ключей полевых МОП-транзисторов вместо диодов

Схемы с накачкой заряда

В схемах с накачкой заряда для увеличения или инвертирования входного напряжения используется конденсатор. Идеальный удвоитель напряжения изображён на Рис. 9. Конденсатор, коммутация которого в схему осуществляется с помощью двух ключей, называется «летающим» (попеременная работа этих ключей напоминает взмахи крыльев). Сначала «летающий» конденсатор заряжается через ключи, а затем он коммутируется в цепь нагрузки последовательно с источником питания, чтобы получить выходное напряжение, превышающее входное.

Рис. 9. Идеализированный удвоитель напряжения с накачкой заряда

На Рис. 10 показан иной вариант расположения ключей, позволяющий на выходе схемы с накачкой заряда получать отрицательное напряжение, почти равное по абсолютной величине положительному входному.

Рис. 10. Идеализированная схема с накачкой заряда и с инвертированием напряжения

Схемы с накачкой заряда применяются обычно там, где не требуется большой ток, например в источниках напряжения смещения для интегральных схем и усилителей на полевых транзисторах. Они не способны обеспечивать высокие значе­ния тока без использования конденсаторов большой ёмкости.