3.2. Однотактный прямоходовой преобразователь

Другая популярная схема импульсного преобразователя постоянного напряжения, известная как схема прямоходового преобразователя [2], приведена на рис. 33. Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые существенные отличия. Прямоходовой преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в дросселе. Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1, обмотку дросселя и далее в нагрузку и конденсатор фильтра. У этой схемы сравнительно большая продолжительность включенного состояния транзистора относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

Рис. 32. Схема однотактного обратноходового преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу:

i_к – ток коллектора транзистора VT и первичной обмотки трансформатора;

i₂ – ток вторичной обмотки трансформатора;

i_с – ток конденсатора;

u_н – напряжение нагрузки

Рис. 33. Схема ОПП (а) и временные диаграммы (б–д), поясняющие работу прямоходового преобразователя:

i₁, i₂– ток первичной и вторичной обмоток трансформатора;

i_L – ток, протекающий через обмотку дросселя

Когда транзистор VT находится в режиме насыщения, энергия от источника питания поступает через трансформатор Т как в нагрузку, так и на заряд конденсатора С₃. После закрытия транзистора ток в индуктивности дросселя не может измениться мгновенно и продолжает течь через диод VD. Таким образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток от элемента, сохраняющего энергию, течет во время обеих половин цикла переключения. Поэтому ОПП имеет более низкое напряжение выходных пульсаций, чем ООП при тех же самых выходных параметрах. Кроме этого при использовании ОПП можно получить на выходе преобразователя мощность почти вдвое больше, чем при использовании ООП.

При разработке однотактных преобразователей часто возникает вопрос какую же схему преобразователя выбрать. Принятое решение должно быть технически обоснованным и учитывать достоинства и недостатки каждой схемы [7].

Рассмотрим более подробно работу обеих схем преобразователей и приведем сравнительную оценку их [7].

На рис. 34 приведена схема ООП, дополненная тремя R-C цепочками и диодом VD2. Назначение этих элементов будет рассмотрено ниже. Именно такое схемотехническое решение ООП и находит применение на практике.

Входное напряжение питания U_вх подается на последовательно соединенные первичную обмотку трансформатора W₁ и транзистор VT1.

При открытом транзисторе VT первичная обмотка W₁ трансформатора T подключена к источнику входного напряжения U_вх и в индуктивности обмотки W₁ происходит накапливание энергии. После закрывания транзистора VT накопленная энергия с помощью вторичной обмотки W₂ через выходной диод VD1 поступает в нагрузку и заряжает выходной фильтрующий конденсатор С₁.

Регулировочная характеристика идеального ООП – нелинейная:

U_вых=U_вх/[(1-)k_тр] , (67)

где k_тр=W₁/W₂ – коэффициент трансформации трансформатора, а

 – коэффициент скважности.

Отметим два интересных момента в работе ООП [4]:

1) один и тот же диапазон изменения коэффициента скважности  приводит в ООП к большим изменениям выходного напряжения, чем в ОПП;

2) ток через конденсатор С₁ имеет характерный медленно спадающий участок во время паузы работы силового транзистора VT, причем часть интервала паузы ток может идти не в конденсатор (когда происходит необходимый заряд конденсатора), а из конденсатора (разряд конденсатора на нагрузку).

Так же, как и у ОПП, в ООП имеется два возможных характерных режима по току вторичной обмотки W₂ – режим непрерывных токов и режим прерывистых токов на временном интервале паузы работы силового транзистора VT. Причем в режиме прерывистых токов ООП завышает выходное напряжение по сравнению с тем, которое определено идеальной регулировочной характеристикой ООП согласно формуле (67).

Если в ОПП важным параметром является ток намагничивания трансформатора, то в ООП – это индуктивность обмотки трансформатора L₁. Критическое значение индуктивности обмотки W₁, определяющее границу между режимами непрерывных и прерывистых токов вторичной обмотки трансформатора Т1 (на интервале паузы):

L_1кр=U_вх _N(1-_N)/[k_тр(2f_рI_{нг min})], (68)

где k_тр=W₁/W₂ – коэффициент трансформации трансформатора Т;

_N=U_нг/(U_нг+U_вх/k_тр) – номинальное значение коэффициента скважности , определенное без учета падения напряжения на элементах схемы;

U_вх, U_нг – номинальные значения напряжений на входе преобразователя и нагрузки соответственно;

I_{нг min} – минимальный ток нагрузки.

Из этого выражения видно, что чем меньше ток нагрузки, тем больше должна быть индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Отметим, что сердечник магнитопровода трансформатора должен быть выполнен с сосредоточенным или распределенным зазором [4], поскольку магнитопровод трансформатора постоянно намагничен.