1 Анализ технического задания

Большинство потребителей требуют стабилизации уровня питающего

постоянного напряжения, либо его изменения в определенном диапазоне по

заданному закону. В тоже время напряжение любого источника питания

является нестабильным. Например, выходное напряжение выпрямителя

зависит от изменения входного переменного сетевого напряжения,

напряжение солнечной батареи – от освещенности, аккумуляторной батареи

– от степени разряда и т. д. Кроме того, напряжение всех источников зависит

от величины потребляемого тока, что особенно характерно для устройств

соизмеримой мощности. Поэтому для согласования параметров источников

электроэнергии с требованиями потребителей необходимо преобразовывать

постоянное напряжение.

Наиболее простым методом преобразования (или регулирования)

постоянного напряжения является непрерывный, который реализуется за

счет включения в последовательную цепь с нагрузкой балластного

сопротивления. Такой метод применяется в непрерывных стабилизаторах.

Недостаток метода заключается в принципиально низком значении к . п . д .

В результате непрерывные стабилизаторы обычно используются лишь при

мощностях порядка единиц ватт. Кроме того, непрерывный метод позволяет

только уменьшить выходное напряжение относительно входного. Для

получения высоких значений к . п . д . разработаны импульсные методы

преобразования, реализуемые за счет периодического подключения и

отключения нагрузки к источнику питания. Причем, применение в схемах

импульсных преобразователей реактивных элементов – дросселей и

конденсаторов позволяет регулировать выходное напряжение как ниже, так и

выше входного. Импульсные преобразователи, регулирующие выходное

напряжение лишь за счет такого периодического переключения, получили

название непосредственных, или однократных.

Исходя из заданных условий (напряжения и тока нагрузки) использование непрерывных стабилизаторов крайне нежелательно из-за высоких мощностей, которые должен будет рассеивать управляющий элемент и низкого кпд.

1 Описание и принцип работы схемы

На рисунке 1.1 показана базовая схема обратноходового преобразователя.

Рисунок 1.1 – Схема обратноходового преобразователя

Обратноходовая схема очень похожа на прямоходовую, с той лишь разницей, что «начала» и «концы» вторичных обмоток трансформатора включены с обратной фазировкой, как показано на рисунке 1.1. В этом случае фазы работы преобразователя называются по-другому: фаза накопления энергии и фаза передачи энергии в нагрузку. Эти фазы разделены во времени, поэтому, по большому счету, трансформатор ТV1 нельзя называть трансформатором. Это, скорее, двухобмоточный дроссель, который накапливает энергию с помощью одной обмотки, а передает ее в нагрузку с помощью другой. Но, поскольку при этом осуществляется преобразование энергии, по устоявшейся терминологии все же называют элемент ТV1 накопительным трансформатором.

В фазе накопления энергии транзистор VТ1 открыт, в первичной обмотке ТV1 течет ток i1, трансформатор накапливает энергию. Закон накопления энергии математически записывается исходя из известного соотношения:

где L1 - индуктивность первичной обмотки.

Видно, что в этой фазе ток первичной обмотки линейно нарастает.

Фаза передачи энергии в нагрузку наступает при закрытии транзистора VT1. В этот момент полярность на выводах трансформатора ТV1, благодаря явлению самоиндукции, меняется на противоположную. Открывается диод VD2, ток i2 заряжает конденсатор фильтра C2 . Закон спада тока вторичной обмотки математически очень похож на закон нарастания тока первичной обмотки:

где L2 - индуктивность вторичной обмотки.

Видно, что в процессе работы конвертора токи трансформатора нарастают и спадают линейно. Чтобы обеспечить требуемые значения тока и

напряжения на нагрузке, необходимо связать процессы, происходящие в первичной цепи, с реакцией на них вторичной цепи. Вначале рассмотрим процессы во вторичной цепи, поскольку, в конечном итоге, нас интересуют напряжение и ток нагрузки. При достаточно большой величине выходной

емкости C2, обеспечивающей качественную фильтрацию постоянной составляющей:

где γ – коэффициент заполнения.

Чтобы связать токи i1 и i2 давайте предположим, что вся энергия, накопленная в первой фазе, переходит в нагрузку во второй фазе.

Математически это значит, что:

Поскольку конструктивные параметры трансформатора не меняются, мы можем записать:

Если ввести понятие коэффициента трансформации:

то с учетом предыдущих формул ток нагрузки:

Проанализировав эту очень важную формулу видно, что при неизменном сопротивлении нагрузки, постоянном питающем напряжении, а

также частоте преобразования и индуктивности первичной обмотки,

постоянстве коэффициента трансформации, максимум напряжения на нагрузке получаем при коэффициенте заполнения γ = 0,5. Практически это

означает, что, задав коэффициент заполнения γ либо близким к нулю, либо

близким к единице, мы, так или иначе, получим близкое к нулю напряжение

на нагрузке. На первый взгляд, нет никакой разницы, если регулирование

напряжения будет осуществляться изменением коэффициента заполнения на

интервале [0...0,5] или [0,5...1,0]. Однако практически для силовой части

преобразователя более предпочтителен первый режим.

Регулировочная характеристика преобразователя математически

записывается так: