Двухтактный преобразователь напряжения

Одной из популярнейших топологий импульсных преобразователей напряжения является двухтактный преобразователь или push-pull (в дословном переводе — тяни-толкай).

В отличие от однотактного обратноходового преобразователя (flyback), энергия в сердечнике пуш-пула не запасается, потому что в данном случае это — сердечник трансформатора, а не сердечник дросселя, он служит здесь проводником для переменного магнитного потока, создаваемого по очереди двумя половинами первичной обмотки.

Тем не менее, несмотря на то, что это именно импульсный трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации, напряжение стабилизации выхода двухтактника все равно может изменяться посредством варьирования ширины рабочих импульсов (с помощью широтно-импульсной модуляции).

В силу высокой эффективности (КПД до 95%) и наличия гальванической развязки первичной и вторичной цепей, двухтактные импульсные преобразователи широко используется в стабилизаторах и инверторах мощностью от 200 до 500 Вт (блоки питания, автомобильные инверторы, ИБП и т.д.)

На рисунке ниже изображена общая схема типичного двухтактного преобразователя. Как первичная, так и вторичная обмотки имеют отводы от середин, чтобы в каждый из двух рабочих полупериодов, когда активен только один из транзисторов, была бы задействована своя половина первичной обмотки и соответствующая половина вторичной обмотки, где напряжение упадет лишь на одном из двух диодов.

Применение двухполупериодного выпрямителя с диодами Шоттки, на выходе двухтактного преобразователя, позволяет снизить активные потери и повысить КПД, ведь экономически гораздо целесообразнее намотать две половины вторичной обмотки, чем нести потери (финансовые и активные) с диодным мостом из четырех диодов.

Ключи в первичной цепи двухтактного преобразователя (MOSFET или IGBT) должны быть рассчитаны на удвоенное напряжение питания, чтобы выдержать действие не только ЭДС источника, но и добавочное действие ЭДС, наводимых во время работы друг друга.

Особенности устройства и режима работы двухтактной схемы выгодно отличают ее от полумостовой, прямоходовой и обратноходовой. В отличие от полумостовой, здесь нет необходимости развязывать цепь управления ключами от входного напряжения. Двухтактный преобразователь работает как два однотактных прямоходовых преобразователя в одном устройстве.

К тому же, в отличие от прямоходового, духтактному преобразователю не нужна ограничительная обмотка, так как один из выходных диодов продолжает проводить ток даже при закрытых транзисторах. Наконец, в отличие от обратноходового преобразователя, в двухтактнике ключи и магнитопровод используются более щадящим образом, а эффективная длительность импульсов больше.

Во встроенных блоках питания электронных устройств все более популярны двухтактные схемы с управлением по току. При таком подходе проблема повышенного напряжения на ключах исключается на корню. В общую истоковую цепь ключей включается резистор-шунт, с которого снимается напряжение обратной связи для защиты по току. Каждый цикл работы ключей ограничивается по длительности моментом достижения током заданной величины. Под нагрузкой выходное напряжение, как правило, ограничивается посредством ШИМ.

При проектировании двухтактного преобразователя особое внимание уделяют подбору ключей, чтобы сопротивление открытого канала и емкость затвора были бы как можно меньше. Для управления затворами полевых транзисторов в двухтактном преобразователе чаще всего применяют микросхемы-драйверы затворов, которые легко справляются со своей задачей даже на частотах в стони килогерц, свойственных импульсным источникам питания любой топологии.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Двухтактный преобразователь напряжения на полевых транзисторах

Более удачная схема двухтактного преобразователя с полевыми транзисторами, выполненная с использованием специализированного ШИМ-контроллера 1114ЕУ4, приведена на рис. 4.39. При указанных на схеме номиналах частота преобразования около 20 кГц. В нормальном состоянии транзисторы VT1 и VT2 закрыты и открываются импульсами, поступающими с выхода микросхемы. Цепь CI, R2 обеспечивает плавный выход на рабочий режим. Делители напряжения на резисторах R7, R9 и R8, R10 ограничивают выходной ток микросхемы, а также величину напряжения на затворах ключей. Диод VD1 защищает схему при ошибочном подключении полярности источника питания.

Схема устойчиво работает с нагрузками до 100 Вт, единственное условие — транзисторы VT1, VT2 должны быть установлены на радиаторы. КПД подобных схем при тщательном изготовлении

трансформатора достигает 90%. При использовании в схеме современных полевых транзисторов с изолированным затвором можно существенно уменьшить габариты конструкции.

Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ типоразмера К32х20х6. Первичная обмотка содержит 2×8 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,8 мм’. Вторичная обмотка для получения напряжения 220 В — 300 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,25 мм. Обмотка обратной связи — 10 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,25 мм.

Источник

Двухтактные преобразователи напряжения

Простейшим двухтактным инвертором является автогенератор по схеме Ройера. Здесь транзисторы попеременно находятся в состоянии насыщения и отсечки. Эта схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема двухтактного преобразователя напряжения

После включения питания через резистор R1 протекает ток, открывающий оба транзистора. Схема симметрична и коллекторные токи транзисторов равны между собой , ЭДС самоиндукции в обмотках W1 также равны по величине, но противоположны по направлению. Поэтому коллекторная обмотка в целом нейтральна и в базовой обмотке ничего не наводится. За счёт тепловых, дробовых или фликкер–шумов ток одного из транзисторов мгновенно станет больше. Пусть , тогда в базовой обмотке появится ЭДС, как показано на рисунке 1, под действием которой VT1 приоткрывается, а VT2 призакрывается, i_K1 ещё больше возрастает, возрастает ЭДС и т.д. протекает лавинообразный процесс, в результате которого VT1 входит в насыщение, а VT2 – в состояние отсечки. Рабочая точка сердечника входит в область насыщения рост тока прекращается, ЭДС самоиндукции меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток и происходит обратный лавинообразный процесс, в результате которого VT2 входит в насыщение, а VT1 – в состояние отсечки и так далее.

Это автогенератор с насыщающимся трансформатором. Индукция в сердечнике меняется от –Bm до +Bm. Резистор R1 служит для запуска схемы, а резистор R_б ограничивает базовый ток в открытом состоянии.

Из–за конечного быстродействия транзисторов, работающих с насыщением, время рассасывания коллекторного тока не равно нулю и время выключения больше времени включения. Поэтому в момент смены полярности напряжения на W1 , VT1 ещё не успевает перейти в состояние отсечки, а VT2 уже включился и, к ещё открытому VT1, прикладывается напряжение

(1)

Поэтому коллекторный ток имеет всплеск – так называемый сквозной ток. Временные диаграммы напряжения приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 Сквозные токи в схеме Ройера

Величина сквозного тока может в несколько раз превышать рабочий ток. Поэтому в современных источниках питания такие схемы используется редко, но в радиолюбительской практике очень широко – простота и надёжность, при небольшой выходной мощности – до 100 Ватт делают схему очень привлекательной.

Для больших мощностей используют преобразователи с независимым возбуждением, чтобы уменьшить мощность потерь в насыщающемся выходном трансформаторе. Усложняется схема управления, формируются сигналы управления с запасом по времени на выключение транзисторов.

К двухтактным относятся также мостовые и полумостовые схемы. На рисунке 3а приведена силовая цепь мостового инвертора, а на рисунке 3б – диаграмма работы при активной нагрузке. Ключи работают попарно и поочерёдно (VT1, VT4 и VT2, VT3). Потери здесь больше, чем в обычной схеме, поскольку в цепи тока включены последовательно два ключа. Напряжение на закрытом ключе равно всего Eк, поэтому такая схема предпочтительна при высоких напряжениях питания. Форма напряжения на нагрузке и форма тока совпадают.

Рисунок 3 Мостовой инвертор

На практике нагрузка редко бывает активной, обычно она имеет индуктивный характер (рисунок 4) и ток в первичной обмотке не может измениться мгновенно.

Рисунок 4 Мостовой инвертор с индуктивным характером нагрузки

После коммутации ключей (VT1,4 закрываются, VT2,3 открываются) под действием ЭДС самоиндукции ток протекает ещё некоторое время (Δt) через первичную обмотку в том же направлении. Ключи VT2,3 не держат обратного напряжения и могут быть пробиты этой ЭДС самоиндукции. Для их защиты и создания пути тока разряда индуктивности все ключи шунтируют диодами. На рисунке 4 условно показаны только два из них. Энергия, запасённая в индуктивности, возвращается в источник по цепи: минус источника Е_К, диод VD3, обмотка W1, диод VD2, плюс источника Е_К , имеет место рекуперация, а чтобы ток протекал в источник, величина ЭДС превышает Е_К на величину ΔU. Мгновенная мощность на интервале Δt отрицательна

Рекуперация энергии может играть и положительную роль. Например, городской электротранспорт и локомотивы на железной дороге. В них, при движении идёт потребление энергии от контактной сети приводными электродвигателями. При торможении двигатели переключаются в генераторный режим, кинетическая энергия движения преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. В источниках электропитания рекуперация приводит только к дополнительным потерям и её следует избегать. В мостовом инверторе, например, можно изменить алгоритм управления ключами, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Мостовой инвертор без рекуперации

В этой схеме при замкнутых ключах VT1 и VT4, идёт передача энергии в нагрузку и её накопление в индуктивности. После размыкания VT1, ЭДС самоиндукции меняет знак, как показано на рисунке 6а и индуктивность разряжается через открытый ключ VT4 и защитный диод VD3 на нагрузку. Здесь запас по времени такой, что индуктивность полностью разряжается и появляются высшие гармоники в составе выходного напряжения. Если не будет разрыва между токами i_p и i₁, то не будет провала в выходном напряжении и в его спектре будет меньше высших гармоник.

В мостовых схемах переобразователей напряжения имеется четыре управляемых ключа и довольно сложная схема управления. Уменьшить число ключей позволяет полумостовая схема, которая приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 полумостовая схема переобразователя напряжения

Здесь конденсаторы С1 и С2 создают искусственную среднюю точку источника . При открытом VT1 конденсатор С1 разряжается на нагрузку и подзаряжается С2, а при открытом VT2 – наоборот С2 разряжается на нагрузку и подзаряжается С1. Напряжение, прикладываемое к первичной обмотке трансформатора равно напряжению на одном конденсаторе.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Режимы работы трансформатора

Вместе со статьей «Двухтактные преобразователи» читают:

Источник

ПРОСТОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР

Многие радиолюбители за свою практику пытались своими руками собрать инвертор напряжения. В этой статье я расскажу о конструкции сверхпростого инвертора, который предназначен для получения сетевого напряжения 220 Вольт из автомобильного аккумулятора. Мощность такого инвертора невелика, но это один из самых простых вариантов, который может существовать.

Схема электрическая простейшего инвертора

Как указал выше, схема из себя представляет двухтактный инвертор выполненный всего на двух мощных полевых ключах. Можно использовать буквально любые N-канальные полевые транзисторы с током 40 Ампер и более. Отлично подходят дешевые полевики серии IRFZ44/46/48, в целях увеличения выходной мощности можно применить более мощные полевые транзисторы серии IRF3205 — выбор огромный, я перечислил только самые ходовые транзисторы, которые можно найти почти в любом магазине радиодеталей.

Трансформатор может быть намотан на кольце или броневом сердечнике Е50, сердечник тоже не критичен, лишь бы обмотки поместились. Первичная обмотка мотается двумя жилами провода 0,8мм (каждая) и состоит из 2х15 витков. При использовании броневых сердечников с двумя секциями на каркасе, первичка мотается в одном из секций, как в моем случе. Вторичная обмотка состоит из 110-120 витков медного провода с диаметром 0,3-0,4мм. Ставить межслойные изоляции не нужно. На выходе трансформатора образуется переменное напряжение номиналом 190-260 Вольт, но форма выходных импульсов прямоугольная, вместо сетевого синуса.

Частота такого преобразователя отклоняется от сетевой, поэтому подключать к преобразователю активные нагрузки довольно рискованно, хотя практика показывает, что на выход можно подключить и активные нагрузки с импульсным блоком питания.

Практическое применение двухтактного инвертора

Преобразователь без проблем может питать лампы накаливания, ЛДС, маломощные паяльники и т.п., мощность которых не превышает 70 ватт. Полевые ключи устанавливают на теплоотводы, в случае использования общего теплоотвода не забудьте использовать изолирующие прокладки.

Корпус — ваша фантазия, у меня он был взят от китайского электронного трансформатора на 150 ватт. КПД этой схемы двухтактного преобразователя может доходить до 70%. автор статьи — АКА КАСЬЯН.

Originally posted 2019-04-08 12:44:39. Republished by Blog Post Promoter

Источник