4.6. Инверторные схемы
Рассмотренные выше схемы элементов питания при их использовании в медицинском приборостроении обладают существенным недостатком. У них нет гальванической развязки между входным (питающим) и выходным напряжением. Для устранения этого недостатка используют схемы содержащие инверторы подключаемые через трансформатор к выпрямителю с фильтрами (рис. 4.39).
Рис. 4.39 Схема вторичного источника электропитания с инвертором.
В этой схеме инвертор (ИН) преобразует постоянное напряжение в переменное, которое трансформатором Т повышается или понижается. Далее переменное напряжение выпрямляется выпрямителем ВП и фильтруется фильтром низкой частоты ФНЧ. Кроме того трансформатор Т обеспечивает гальваническую развязку между Uвх и Uвых. Рассмотрим более подробно схемотехнические решения используемые при построении инверторов, которыми называют преобразователи постоянного тока в переменный.
Наиболее простыми являются нерегулируемые инверторы преобразующие постоянные напряжения в прямоугольные импульсы.
Различают однотактные и двухтактные инверторы. В однотактных инверторах передача энергии через трансформатор производится на одном такте, что снижает эффективность его использования. Также преобразователи находят применение в маломощных импульсных источниках питания.
На рис. 4.40 приведен вариант схемы однотактного инвертора.
Рис. 4.40 Функциональная схема однотактного инвертора
В этой схеме транзисторный ключ VT1 управляется генератором тактовых импульсов ГТИ. Схема работает в два такта. На первом такте транзистор VT1 открывается.
К обмотке W1 трансформатора Т прикладывается входное напряжение Uвх. Магнитный поток в этой обмотке нарастает, создавая э.д.с.Е2 во вторичной обмотке трансформатора величиной Е2= Uвх(W2/ W1).
Диод VD2 открывается, обеспечивая нарастание тока в дросселе L. Ток стока транзистора VT1 также растет за счет тока намагничивания обмотки W1 и тока дросселя. Таким образом, на этом такте происходит передача энергии во вторичную цепь транзистора.
На втором такте VT1 запирается отключая Uвх от трансформатора. Поток в сердечнике начинает убывать, создавая в обмотке W3 э.д.с, превышающую по величине входное напряжение. Диод VD1 открывается и через него энергия трансформатора перекачивается в источник Uвх. После погашения накопленной энергии VD1 закрывается. В этом такте VD2 закрыт, а VD3 открыт. ЧерезVD3 ток дросселя замыкается и убывает. Энергия во внутреннюю цепь трансформатора не передается, что снижает коэффициент использования трансформатора.
Для увеличения устойчивости и быстродействия однотактных инверторов для их управления используют устройства управления (контроллеры) позволяющие организовывать дополнительную обратную связь по току дросселя (ДОСТД). Для этого организуется цепь управления амплитудой тока дросселя по отклонению от эталонного значения (дополнительный контур управления). Основной контур управления обеспечивает стабилизацию выходного напряжения (рис 4.41).
Рис 4.41. Функциональная схема однотактного инвертора с управлением по ДОСТД
В этом преобразователе усилитель А1 вычитает из напряжения источника опорного напряжения (ИОН) выходное напряжение и получаемая разность подается на инверсный вход компаратора КН. Генератор тактовых импульсов ГТИ устанавливает в состояние единица триггер ТТ открывающий транзистор VT1.
При увеличении входного напряжения Uвх при открытом VT1 увеличивается скорость нарастания тока в цепи стока и истока переключая компаратор, который установит триггер в нулевое состояние, тем самым уменьшая время нахождения VT1 в открытом состоянии. При этом энергия передаваемая в нагрузку остается неизменной.
По таким схемам построены контроллеры типов UC1842, UC3843, 1033EY10
В двухтактных инверторах формируются симметричные колебания при более полном использовании энергетических возможностей передающих трансформаторов (рис. 4.42).
Рис. 4.42. Функциональные схемы двухтактных инверторов
а) нулевая, б) полумостовая в) мостовая
Наиболее просто, с точки зрения количества элементов реализуется так называемая нулевая схема (рис. 4.42, а) в которой одна из клемм входного источника питания подключается к нулевой точке первичных обмоток трансформатора Т. В этой схеме контроллер поочередно переключает ключи S1 и S2, прикладывая к первичным обмоткам входное напряжение. Намагничивающие силы этих обмоток направлены в магнитопроводы в противоположные стороны, что практически исключает его подмагничивание. Трансформатор повышает или понижает (в зависимости от коэффициента трансформации) переменное напряжение первичны обмоток. При проектировании нулевой схемы следует учитывать, что к ключам в закрытом состоянии прикладывается двойное входное напряжение.
В полумостовой схеме (рис 4.42 б) входное напряжение конденсаторами С1 и С2 делится пополам. Ключи S1 и S2 переключаются поочередно. При замыкании ключей к первичной обмотке прикладывается напряжение Uвх/2, поэтому для обеспечения той же мощности, что и в схеме 4.42,а через ключи должен протекать вдвое больший ток, но на закрытых ключах напряжение равно Uвх.
В мостовой схеме (рис 4.42, в) контроллер управляет ключами по следующей схеме S1, S4 – замкнуты, S2, S3 – разомкнуты и наоборот. Напряжение на замкнутых ключах и на первичной обмотке Т равно входному напряжению.
В качестве примера на рис 4.43 приведен пример управления нерегулируемым инвертором микросхемой МАХ845.
Рис. 4.43. Управление двухтактным инвертором контроллером типа MAX845.
Генератор тактовых импульсов в зависимости от цепей управления подключаемых ко входу “Выбор частоты” формирует импульсы с частотой 400 или 700 кГц. Счетный триггер ТТ делит эту частоту пополам и через схемы И распределяет их по ключам реализованным на транзисторах VT1 и VT2. Для включения микросхемы задействуется вывод “Вкл”.
Для регулирования выходного напряжения на выходах инверторов выпускаются специальные контроллеры с широтно-импульсной модуляцией с меняющейся длительностью импульсов при постоянной частоте коммутации. Примерами таких контроллеров являются микросхемы TL494, VСС3808A и тд.
Для уменьшения потерь на переключения коммутаторов проектируются и выпускаются резонансные инверторы, со схемотехникой которых можно ознакомиться в работе [3].
В настоящее время промышленностью выпускается импульсные источники питания использующие непосредственно энергию питающей сети. Однако при выигрыше по массогабаритным характеристикам эти источники менее надежны и создают значительные помехи как для нагрузки, так и для питающей сети [3]. К микросхемам работающим от силовой сети относятся такие как TDA4605, AS2208, TEA1504 и тд.
В качестве контроллеров в этих источниках питания могут использоваться интегральные микросхемы на основе инверторов с управлением по дополнительной обратной связи по току дросселя, например микросхема типа UC3844, которая помимо элементов схемы рис. 4.41 содержит цепь защиты контроллера от перенапряжения и дополнительный компаратор выключающий микросхему, если напряжение питающей сети подает ниже порогового значения.
Так же как и в линейных стабилизаторах в импульсных стабилизаторах напряжения существуют многочисленные обратные связи, способные приводить к потере устойчивости. Поэтому на этапе конструирования и эксплуатации этих стабилизаторов применяются специальные корректирующие схемы, обеспечивающие качественную работу соответствующих узлов и блоков.