Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
ШИМ не является единственно возможным способом управления
ключевым транзистором. Существуют микросхемы, у которых в процессе
работы может изменяться как время t
, так и время t
вкл
, т. е. меняются
выкл
частота и скважность переключений. Такой способ управления называют
частотно-широтноимпульсной модуляцией (ЧШИМ), его реализуют, напри-
мер, микросхемы ЧШИМ-контроллеров μА78S40 (Fairchild) и МС33063
(ОN Semiconductor).
Повышающий преобразователь (boost)
Упрощённая схема повышающего преобразователя представлена на
рис. 37, а временные зависимости его тока и напряжения – на рис. 38.
Рис. 37. Упрощенная схема повышающего преобразователя
Рис. 38. Временные диаграммы работы
повышающего преобразователя
61
Ключевой элемент S подключен параллельно нагрузке и работает
ae
выкл
T
UU
t
=
в импульсном режиме, т. е. попеременно замыкается и размыкается с ча-
стотой преобразования. Диод VD блокирует нагрузку и конденсатор
фильтра С от ключевого элемента во время, когда ключ находится в за-
мкнутом состоянии.
Когда ключ замкнут, ток IL от источника питания Ue протекает через
дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом не позволяет кон-
денсатору фильтра разряжаться через замкнутый ключ. Ток в нагрузку
в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С. Далее,
когда ключ размыкается, ЭДС самоиндукции дросселя суммируется с вы-
ходным напряжением и энергия тока дросселя отдается в нагрузку. При
этом выходное напряжение Ua оказывается больше входного Ue.
Следует обратить внимание на то, что, в отличие от схемы понижаю-
щего преобразователя, дроссель L служит для накопления энергии и не яв-
ляется элементом фильтра.
Как и в случае с понижающим преобразователем напряжения, из ана-
лиза режимов нарастания и спада тока дросселя IL в соответствующих со-
стояниях ключа S можно вывести зависимость выходного напряжения Ua
от величины входного напряжения Ue и временных параметров переклю-
чения [2]:
. (36)
Дополнив повышающий преобразователь (рис. 37) схемами управле-
ния ключом и обратной связи, можно получить повышающий импульсный
стабилизатор напряжения. В настоящее время в мире выпускается множе-
ство интегральных ШИМ и ЧШИМ-контроллеров, предназначенных для
построения схем повышающих импульсных стабилизаторов напряжения,
например такие как MAX641, MAX751 (MAXIM).
62
Инвертирующий преобразователь (inverter)
Упрощённая схема инвертирующего преобразователя представлена
на рис. 39, а временные диаграммы работы – на рис. 40.
Рис. 39. Упрощенная схема инвертирующего преобразователя
Рис. 40. Временные диаграммы работы
инвертирующего преобразователя
В интервале времени t
тельным напряжением Ua, ток дросселя I
ключ S замкнут, диод VD закрыт отрица-
вкл
нарастает по линейному закону
L
(рис. 40), в дросселе накапливается энергия.
При размыкании ключа S в интервале t
благодаря явлению само-
выкл
индукции дроссель стремится поддержать значение тока через свою об-
мотку, поэтому ток IL замыкается через нагрузку и через открывшийся ди-
од VD. Ток дросселя спадает по линейному закону.
63
Анализируя режимы нарастания и спада тока дросселя IL в соответ-
вкл
ae
выкл
t
UU
t
=
ствующих состояниях ключа S можно вывести зависимость выходного
напряжения Ua от величины входного напряжения Ue и временных пара-
метров переключения [2]:
. (37)
Из формулы (37) следует, что инвертирующая схема может работать
как с понижением напряжения при t
(t
вкл
> t
выкл
).
выкл
> t
, так и с повышением
вкл
Выпускаемая мировой промышленностью номенклатура микросхем
управления инвертирующими стабилизаторами очень широка. Ведущими
фирмами-производителями являются такие известные фирмы, как MAXIM,
Motorola, Dallas semiconductor, Siemens и многие другие.
Примером надежной и простой схемы инвертирующего импульсного
стабилизатора напряжения может служить микросхема МС34166 фирмы
Motorola [6].
Следует заметить, что эта микросхема универсальна – она может
с одинаковым успехом работать и в повышающей, и в понижающей схеме.
Важно лишь правильно подключить соответствующие выводы. Вообще
многие фирмы стремятся к универсализации выпускаемых микросхем, по-
этому подобные варианты микросхем встречаются достаточно часто.
Сетевые импульсные источники питания (AC/DC-конвертеры) ис-
пользуют в своём составе трансформаторные преобразователи. Согласно
данным, приведённым в табл. 3, имеется пять различных вариантов реали-
зации таких преобразователей.
1.7. СЕТЕВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
64
При выборе конкретной схемы преобразователя можно воспользо-
ваться рис. 41 [5].
Рис. 41. Выбор типа преобразователя
в зависимости от входного напряжения и выходной мощности
Как видно из рисунка, в области малых значений выходной мощно-
сти применяются обратноходовые преобразователи, причем с ростом
напряжения питания увеличивается и мощность, которую преобразователь
может отдать в нагрузку. С ростом выходной мощности целесообразно
перейти на прямоходовую схему построения преобразователя. Еще боль-
шие мощности могут обеспечить только двухтактные преобразователи
напряжения.
Обратноходовой преобразователь
Обратноходовой преобразователь напряжения используется для по-
строения схем маломощных импульсных источников питания (рис. 42) [5].
Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регу-
лируя выходное напряжение посредством либо широтно-импульсной мо-
дуляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). В обрат-
ноходовом преобразователе длительность открытого состояния ключа
больше длительности закрытого состояния для того, чтобы большее коли-
65
чество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.
Временные диаграммы работы обратноходового преобразователя пред-
ставлены на рис. 43.
Рис. 42. Схема импульсного ИВЭ с обратноходовым преобразователем
Рис. 43. Временные диаграммы работы обратноходового преобразователя
Ключевой транзистор Q1 управляется схемой ШИМ-модулятора. Ко-
гда Q1 открыт (интервал времени tON), ток в первичной обмотке транс-
форматора I1 линейно увеличивается. Этот трансформатор фактически яв-
ляется дросселем со вторичной обмоткой и, в отличие от обычного транс-
форматора, накапливает в себе существенную энергию.
Когда транзистор Q1 закрывается (интервал времени t
), магнитный
OFF
поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться, и это вызыва-
ет ток I2, текущий в цепи вторичной обмотки.
66
Ток I2 заряжает конденсатор С и также течет в нагрузку. На рис. 43
показаны импульсы токов I1 и I2 во время открытого и закрытого состоя-
ния ключевого транзистора.
Ток I1 течет во время открытого состояния транзистор Q1, а ток I2 во
время закрытого и поддерживает постоянное напряжение на конденсаторе С.
Если ток, потребляемый нагрузкой, возрастёт, необходимо увеличить дли-
тельность открытого состояния транзистора Q1, во время которого ток I1
достигнет более высокого пикового значения, что приведёт к увеличению
тока I2 во вторичной обмотке во время закрытого состояния ключа.
Наличие в схеме (рис. 42) обратной связи, ИОН (условно не показан)
и схемы сравнения, которая через устройство гальванической развязки
(трансформатор или оптопара) управляет ШИМ-модулятором, позволяет
получить стабильное выходное напряжение.
Идеальная схема обратноходового преобразователя не имеет потерь
энергии, однако на практике существуют потери переключения и прово-
димости в транзисторе Q1, а также потери в трансформаторе, диоде и кон-
денсаторах. Однако эти потери энергии имеют существенно меньшую ве-
личину, чем потери в сетевых источниках питания с линейными стабили-
заторами напряжения.
Прямоходовой преобразователь
Другая популярная конфигурация импульсного источника питания из-
вестна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 44 [5].
Рис. 44. Схема импульсного ИВЭ с прямоходовым преобразователем
67
В отличие от обратноходовой схемы прямоходовой преобразователь
накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индук-
тивности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансфор-
маторе, показывают, что, когда ключевой транзистор открыт, во вторич-
ной обмотке возникает ток, который течёт через диод D1 в дроссель L.
Когда транзистор Q1 закрывается, ток в катушке индуктивности
не может измениться мгновенно и продолжает течь через диод D2. Таким
образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток от элемента, сохраняю-
щего энергию, течет во время обеих половин цикла переключения. По-
этому прямоходовой преобразователь имеет меньшее по величине напря-
жение выходных пульсаций, чем обратноходовая схема.
Импульсные источники питания с несколькими выходами
Большинство импульсных источников питания имеют несколько вы-
ходных напряжений. Например, для большинства источников питания
цифровых схем в дополнение к выходному напряжению +5 В могут
иметься выходы на напряжения +12, –12, +24 и –5 В. На рис. 45 показан
обратноходовой преобразователь с несколькими выходами.
Рис. 45. Обратноходовой преобразователь с несколькими выходами
68
Напряжение обратной связи снимается, например, с выхода +5 В
и подается на ШИМ-модулятор, таким образом стабилизируя всю схему.
Это означает, что вспомогательные выходы не стабилизируются в той же
мере, как основной выход +5 В. В некоторых случаях, когда требуется ка-
чественная стабилизация всех выходных напряжений, на вспомогательные
выходы устанавливают линейные стабилизаторы, как показано на рис. 45,
чтобы обеспечить лучшую стабилизацию. Стандартные импульсные ис-
точники питания могут иметь до пяти различных выходных напряжений.
Двухтактный преобразователь
с параллельным питанием (пушпульный)
Преобразователи с выводом средней точки первичной обмотки
трансформатора (рис. 46) фактически являются разновидностью прямохо-
дового преобразователя, за исключением того, что оба переключающих
транзистора включены в цепь первичной обмотки трансформатора [5].
Конструкция трансформатора с выводом от средней точки обусловливает
то, что в данной схеме к закрытому транзистору прикладывается удвоен-
ное напряжение питания, что является существенным недостатком схемы.
Поэтому такая схема преобразователя обычно применяется при низких
входных напряжениях.
Рис. 46. Упрощенная схема двухтактного преобразователя
с параллельным питанием
69
Полумостовой преобразователь
Схема полумостового преобразователя, представленная на рис. 47 [5],
содержит емкостной делитель, напряжение на выходе которого равно по-
ловине напряжения питания. Поэтому закрытому транзистору приклады-
вается напряжение, равное напряжению питания. Ток коллектора ключе-
вого транзистора при одинаковой мощности в нагрузке будет в два раза
больше, чем в схеме со средней точкой и мостовой схеме. Достоинством
полумостовой схемы является отсутствие подмагничивания трансфор-
матора.
Рис. 47. Упрощенная схема полумостового преобразователя
Полумостовой преобразователь рекомендуется использовать при раз-
работке сетевых источников питания с выходной мощностью от 200 до
700 Вт [6].
Мостовой преобразователь
В данном преобразователе мостовая схема (рис. 48) образована че-
тырьмя переключающими транзисторами [5]. В диагональ моста включена
первичная обмотка импульсного трансформатора, в которой благодаря
попеременному включению транзисторов, находящихся в разных плечах
моста, создаётся переменный ток. В мостовой схеме напряжение на за-
крытом транзисторе равно напряжению источника питания Vin.
70