Глава 13. Один интересный преобразователь

В конечном счете никому из нас не нужно ни напряжение, ни ток сами по себе. Ну, зачем нормальному человеку напряжение? Ему нужно то, во что это напряжение или тот ток можно превратить. Таким образом, вся электроника – это сплошное преобразование напряжения. Мы пытаемся преобразовать напряжение в свет, тепло, движение. В последнее время все больше внимания уделяется преобразованию напряжения в информацию. Ведь, согласитесь, работа компьютера, не более чем сложные преобразования напряжений, получаемых от блока питания. И выходит, что родоначальником того текста, который я сейчас печатаю в текстовом процессоре по имени OpenOffice.org Writer, вставляя картинки, получаемые на экране монитора при работе программы Qucs, родоначальником всего этого является импульсный блок питания, стоящий в системном блоке. Если у вас возникли сомнения в этом, отключите блок питания, и сомнения рассеются. Тема преобразователей напряжения частично была затронута выше, и, возможно, импульсным блокам питания следовало уделить гораздо больше места, чем я планирую, но это очень обширная тема, заслуживающая отдельной книги. И тема интересная, как для опытных, так и для начинающих любителей. Я не готов сделать большего, как только чуть-чуть рассказать о преобразователях на примере конвертера Cuk'а. Я использую материал, присланный мне Александром, статью из CHIP NEWS, авторы которой Ю. Розанов, М. Рябчицкий и А. Кваснюк, справочник «Источники электропитания РЭА» издательства «Радио и связь», 1985, и все, что смогу придумать на эту тему. Попутно я хочу обратить внимание, особенно начинающих, на тот факт, что программы симуляции, о которых я много говорю, не всегда могут успешно справляться с любыми схемами, и, являясь прекрасным инструментом и для изучения предмета, и для работы, требуют обязательной проверки на макетной плате «всех личных достижений» в области электроники. Только профессионалы, годами работающие с одной программой разработки электрических схем или разводки печатных плат, готовы определить, нуждаются ли результаты работы в дополнительной проверке. Можно утверждать, что любителям это тоже доступно, но я не рекомендовал бы уповать на подобные утверждения, лучше, все-таки, проверить. Выбор за вами!

Вначале, чем интересны импульсные преобразователи в практическом плане? Напомню, что простейшим преобразователем переменного напряжения будет трансформатор, давно и активно используемый в электрике. Поэтому речь пойдет о преобразовании постоянного напряжения в переменное или постоянного напряжения в постоянное. Так что в них, в этих преобразователях?

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Давным-давно, отправляясь в путешествие на собственном автомобиле, радиолюбители использовали преобразователь напряжения аккумулятора для питания электрической бритвы. Нужно же бриться! Самый простой преобразователь получался из генератора с самовозбуждением. На выходе такого генератора не синусоидальное напряжение, но электрические бритвы не были столь привередливы. Сам я таким преобразователем не пользовался, но, как мне кажется, встречал схемы похожих преобразователей именно для использования с электробритвами в автомобиле.

Рис. 13.1. Простейший преобразователь постоянного напряжения в переменное

В таких преобразователях, как правило, используются дополнительные обмотки трансформатора Tr2, включаемые в базовые цепи транзисторов, для получения самовозбуждения генератора. Мне пришлось использовать два генератора (второй работает в противофазе с первым, обратите внимание на его параметр Td). Но принцип работы реального преобразователя похож: при включении питающего напряжения V1 начинает возрастать ток коллектора транзисторов, протекая по обмоткам T1 и T2 трансформатора; наводимое в обмотках, включенных в цепи баз, напряжение (на рисунке их нет) для одного транзистора способствует нарастанию тока коллектора, для другого препятствует. В итоге один из транзисторов полностью открывается, а второй закрывается, но не сразу – индуктивное сопротивление «сопротивляется» этому. Однако, когда изменение тока прекращается, это приводит к уменьшению напряжения во всех вторичных обмотках трансформатора (он не «трансформирует» постоянный ток), и это, в свою очередь, приводит к закрыванию первого транзистора и открыванию второго. Затем процесс повторяется.

Не следует думать, что так, как изображено на рисунке, схему собрать нельзя. Можно. В этом случае генератор-преобразователь будет работать не в режиме самовозбуждения, а в режиме принудительного преобразования, и транзисторы не более, чем каскады усиления, что я и хотел подчеркнуть их обычным включением, и в этом случае есть определенная выгода – легче настроить частоту преобразования. Если в генераторе с самовозбуждением частота будет определяться во многом свойствами трансформатора, которые трудно менять, то с независимыми генераторами (или, как правило, генератором) частота может задаваться, например, RC-цепью, где можно сделать резистор переменным, позволяющим легко получить требуемую частоту.

Как реально происходит процесс запуска генератора в режиме самовозбуждения можно посмотреть на следующем рисунке.

Рис. 13.2. Моделирование процесса самовозбуждения генератора

Использование похожих генераторов с самовозбуждением я встречал в приборах. Действительно, если не считать трансформатора, во всем остальном проще не придумаешь. Трансформатор, кстати, может иметь две выходные обмотки, а в этом случае легко получить двух-полярный блок питания от одного источника напряжения, например, батарейки, а два полученных источника напряжения использовать для питания операционных усилителей. Более простое, правда, решение, без трансформатора, я встречал в схеме тестера, где использовался операционный усилитель, а питания тестера было построено на одной батарейке. Добавленная цифровая микросхема использовалась для построения генератора и преобразователя.

Иногда для питания электронной схемы переносного устройства требуется высокое напряжение, которое трудно получить от батарейки, и в это случае используется преобразователь. Подобное решение я встречал в весьма современном пульте управления фирмы Philips для питания лампы, подсвечивающей сенсорный дисплей.

Разные типы современных преобразователей

Статью, которую я упоминал, «Вторичные источники питания: от сетевого трансформатора до корректора коэффициента мощности» авторы предваряют словами: «За короткий срок вторичные источники питания радикально изменились: на смену громоздким устройствам с сетевым трансформатором и линейным стабилизатором пришли миниатюрные импульсные

модули...».

Не буду пересказывать статью, любой пересказ предвносит точку зрения автора, что никак не улучшает исходный материал, а вот что хочу, так это «перепоказать» некоторые положения статьи. Авторы подразделяют преобразователи по виду схем на: понижающие, повышающие, повышающе-понижающие и, наконец... а вот об этом типе отдельно.

Рис. 13.3. Понижающий преобразователь

Для моделирования схемы в программе Qucs в качестве ключевого элемента использовано реле. Разновидность реле, специально предназначенная к этому, некогда использовалась в преобразователях. Но в данном случае реле используется только для моделирования в программе в сочетании с генератором прямоугольных импульсов V2. В реальных схемах используются транзисторы (на месте контактов S1), и именно появлению транзисторов с подходящими параметрами импульсные источники питания обязаны столь быстрой экспансией. Конечно, работа транзистора в режиме «ключа» имеет ряд особенностей, но в первом приближении можно рассматривать его работу следующим образом. Для включения транзистора необходимо задать такой базовый ток, при котором транзистор полностью открыт, то есть, его напряжение коллектор-эмиттер минимально, что определяется током коллектора и сопротивлением нагрузки. А в режиме выключения ток базы может отсутствовать, что приведет к уменьшению тока коллектора до «неуправляемого остатка», а все напряжение будет падать на транзисторе, приложенное к его эмиттеру и коллектору.

В статье приводится несколько диаграмм, иллюстрирующих работу преобразователя. Я постарался сделать диаграммы, соответствующие диаграммам статьи.

Рис. 13.4. Диаграммы симуляции схемы, включая токи амперметров

Попробуйте изменить параметр TL генератора V2, скажем, увеличив его до 0.4 мС. Вы должны получить диаграмму напряжения на выходе (метка out) следующего вида:

Рис. 13.5. Изменение выходного напряжения при увеличении TL

Именно так, изменением коэффициента заполнения, можно регулировать выходное напряжение. Думаю, вам доставит удовольствие придумать способ автоматической регулировки выходного напряжения.

Схема повышающего преобразователя основана на эффекте накопления энергии в индуктивности при замыкании ключа с последующей отдачей этой энергии, когда ключ размыкается, в нагрузку. Чем дольше ключ замкнут, тем больше выходное напряжение. Схема, приводимая в статье, соответствует эксперименту, схема которого представлена ниже. Как и в предыдущем случае, вы можете менять значения замкнутого состояния ключа (параметр TH генератора) и разомкнутого (TL), а так же оценить влияние значения индуктивности, конденсатора фильтра и сопротивления нагрузки. Я не устанавливал измерителей тока на схеме, но вы можете найти их в разделе измерители на вкладке Компоненты программы, чтобы получить набор диаграмм, соответствующий приведенным на рисунке 13.4.

Измерения в электронике, наряду с расчетами, играют основополагающую роль. Не пренебрегайте возможностью лишний раз измерить или увидеть на экране осциллографа все, что происходит в схеме. Впоследствии вам легче будет представить работу схемы, глядя только на схему и не пользуясь описанием работы схемы. Такая возможность полезна, когда нет описания схемы. И особенно полезна, когда нет самой схемы. Устройство есть, а схемы

нет.

Рис. 13.6. Повышающий преобразователь

Получение более высокого напряжения, чем напряжение источника питания, весьма привлекательная особенность преобразователя. Особенно, когда вы ограничены применением батарейки в переносном устройстве. Особенно, когда вам очень хотелось бы использовать операционный усилитель в своей схеме, а он требует для своего питания двух источников, положим, + 15 В и – 15 В. И никак не соглашается на меньшее. А батарейка, которую вы можете применить не дает больше 9 В. И особенно привлекательно для многих то, что не требуется трансформатор.

Следующий тип преобразователя повышающе-понижающий. Он позволяет регулировать выходное напряжение от нуля до значения, ограниченного паразитными параметрами схемы. И обратите внимание на схему ниже, полярность выходного напряжения отлична от полярности источника питания! Тоже полезная особенность преобразователя.

Рис. 13.7. Повышающе-понижающий преобразователь

Используя схемы преобразователей, подобные описанным в статье, следует не забывать, что генератор, управляющий работой ключа, должен обязательно работать. Если ключевой транзистор окажется включен, скажем, на схеме выше, а генератор работать не будет, то нагрузкой транзистора станет индуктивность L1, активное сопротивление которой может быть очень маленьким. Для транзистора подобное включение это короткое замыкание, и он может не выдержать подобного испытания. Конечно, вы добавите, надеюсь, в схему предохранитель, но имейте в виду, что предохранитель «срабатывает» гораздо медленнее транзистора. Удобный подход в этом случае таков: работа ключевого транзистора начинается с выключенного состояния. То есть, если вы включили схему, транзистор выключен, а если генератор не заработал, то транзистор оказывается выключен, и ничего страшного для него в этой ситуации быть не должно.

И, наконец, последний тип преобразователя, упоминаемый в статье, это преобразователь Чука (Čuk). О существовании этого типа преобразователя мне сообщил Александр Кушнеров, который и привлек мое внимание к преобразователям вообще, и к существованию проблем с симуляцией подобных преобразователей, да и импульсных схем, в программах EDA. Именно он предложил мне осуществить симуляцию этого конвертера в программах Qucs и PSIM. Именно по причине симуляции работы импульсных схем я заговорил в этой книге о программе PSIM. Программа специализированная, и когда я писал о программах EDA, я не стал ее рассматривать. А Александр, которому приходится уделять много времени импульсным преобразователям, использовал эту программу с наибольшим успехом. Впрочем, и программа LTSpice, о которой я рассказывал в книге «Наглядная электроника» тоже успешно справляется с симуляцией импульсных схем. Так что, имейте в виду, что не все

В.Н. Гололобов Экскурсия по электронике 280

программы успешно справляются с симуляцией любых схем. Но вернемся к преобразователям.

Рис. 13.8. Преобразователь Чука

Как видно из схемы, преобразователь Чука имеет черты сходства и с повышающим, и с понижающим преобразователем. Напряжение на выходе, в зависимости от длительности включенного состояния ключа, может быть и больше, и меньше напряжения источника питания. Как пишут авторы статьи, одним из важных свойств этого преобразователя является низкий уровень пульсаций входного и выходного токов, что, конечно, упрощает построение входных и выходных цепей преобразователя.

Бурному росту использования импульсных источников питания ранее мешало то, что они строились с использованием биполярных транзисторов в качестве ключевых элементов схемы. Особенности работы этих транзисторов в ключевом режиме ограничивали такие выходные параметры вторичных источников питания как удельные (по мощности) габариты, вес. Появление полевых транзисторов существенно улучшило ситуацию и ускорило переход от громоздких схем с понижающими трансформаторами к компактным и легким импульсным блокам питания. Конечно, как пишут авторы, ничто не дается даром. Широкое использование импульсных вторичных источников питания, благодаря их импульсному характеру работы, привело к появлению новых проблем, связанных с обратным негативным воздействием на силовые цепи, с незапланированным излучением радиоволн, как самими преобразователями, так и проводами электросетей. Сегодня эти проблемы рассматриваются и успешно решаются средствами современной электроники.

Импульсные преобразователи – это очень интересная область электроники, но я хотел бы

вернуться к тому, с чего начал эту главу. Если предыдущая схема достаточно уверенно работала в программе Qucs, то предложенный Александром вариант, в сущности мало отличающийся от изображенного на рисунке выше, при запуске симуляции работать не хотел.

Рис. 13.9. Модификация предыдущей схемы

В отличие от Александра, занимающегося исследованиями в области импульсных схем, я «шапочно» знаком с ними. Проведя несколько попыток осуществить симуляцию, я быстро отказался от этого и попробовал осуществить эту симуляцию в программе PSIM по совету Александра, который опробовал несколько программ, и в частности Multisim, но более всего его удовлетворила работа в PSIM. Конечно, его интересовали исследования более глубокие, чем обычно осуществляются в любительских условиях. Но трудно сказать, и я не берусь это утверждать с уверенностью, что может заинтересовать любителя, если он истинный любитель, а уж терпения и знаний у него, подчас, не меньше, чем у профессионала. В этом смысле мне показалось поучительной эта история с преобразователем Чука. Мне кажется, что последовав моему совету и приняв в качестве одного из инструментов программу для работы со схемами, начинающий любитель электроники с большей вероятностью столкнется с подобной ситуацией, и возникающие трудности при симуляции схемы могут навсегда оттолкнуть его. Было бы очень жаль, если б такое случилось. Вот как выглядит работа схемы в программе PSIM. Схему я получил от Александра, но сама программа работает в демонстрационной версии, что ограничивает ее возможности. Однако процесс симуляции проходит быстро, да и ключевой элемент использован «наиновейший» – полевой транзистор.