Двухтактный преобразователь напряжения на полевых транзисторах
Более удачная схема двухтактного преобразователя с полевыми транзисторами, выполненная с использованием специализированного ШИМ-контроллера 1114ЕУ4, приведена на рис. 4.39. При указанных на схеме номиналах частота преобразования около 20 кГц. В нормальном состоянии транзисторы VT1 и VT2 закрыты и открываются импульсами, поступающими с выхода микросхемы. Цепь CI, R2 обеспечивает плавный выход на рабочий режим. Делители напряжения на резисторах R7, R9 и R8, R10 ограничивают выходной ток микросхемы, а также величину напряжения на затворах ключей. Диод VD1 защищает схему при ошибочном подключении полярности источника питания.
Схема устойчиво работает с нагрузками до 100 Вт, единственное условие — транзисторы VT1, VT2 должны быть установлены на радиаторы. КПД подобных схем при тщательном изготовлении
трансформатора достигает 90%. При использовании в схеме современных полевых транзисторов с изолированным затвором можно существенно уменьшить габариты конструкции.
Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ типоразмера К32х20х6. Первичная обмотка содержит 2×8 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,8 мм’. Вторичная обмотка для получения напряжения 220 В — 300 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,25 мм. Обмотка обратной связи — 10 витков проводом ПЭЛШО диаметром 0,25 мм.
- Преобразователь напряжения DC/DC +400В для счетчика Гейгера (MC34063)
- Фотореле на микросхеме КР1182ПМ1
- Конденсаторная система зажигания для автомобиля
- Блок питания с гасящим конденсатором
Укажите ваш пол, пожалуйста: Голосовать Результаты
© 2009 — 2024, RadioStorage.net — радиоэлектроника, схемы и статьи радиолюбителям. Информация на ресурсе предоставлена в ознакомительных и научных целях. При использовании материалов с сайта, прямая индексируемая ссылка на наc и указание первоисточников — обязательны!
Двухтактный преобразователь с защитой от перегрузки
Предлагаю вниманию читателей усовершенствованный вариант преобразователя напряжения, описанного в моей статье «Маломощный двухполярный преобразователь напряжения» («Радио», 2017, № 10, с. 15, 16). Новые качества удалось реализовать, использовав свободные ранее выводы микроконтроллера и переделав его программу.
Схема обновлённого преобразователя показана на рис. 1. Как и в исходном варианте, в нём имеется узел «мягкого» пуска преобразователя, состоящий из транзистора VT1, конденсатора C2 и резисторов R5 и R6. Однако затвор транзистора VT1 соединён через резистор R5 с выходом PB3 микроконтроллера, что позволяет программно управлять этим узлом.
Рис. 1. Схема обновлённого преобразователя
Часть плюсового выходного напряжения преобразователя поступает через делитель напряжения из резисторов R1 и R2 для контроля на вход ADC2 микроконтроллера, служащий в данном случае входом встроенного аналогового компаратора. При указанных на схеме номиналах резисторов делителя транзистор VT1 выключает силовую часть преобразователя при выходном напряжении любой полярности менее 6 В, так как при перегрузке минусового выхода снижается и напряжение на плюсовом. Одновременно программа включает светодиод HL1, сигнализируя о неполадке. Для повторного запуска преобразователя необходимо выключить и вновь включить его питание.
Сопротивление резисторов делителя напряжения выбрано исходя из того, что при выходных напряжениях, находящихся в допустимых пределах, напряжение на входе ADC2 должно быть больше 1,1 В, но меньше напряжения питания микроконтроллера. Так что программа микроконтроллера контролирует не ток нагрузки, а выходное напряжение. Выбор такого принципа работы защиты стал возможен вследствие относительно большого внутреннего противления преобразователя и достаточной перегрузочной способности его силовой части.
Преобразователь смонтирован на печатной плате размерами 40×28 мм, изображённой на рис. 2. Она изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Переходные отверстия, показанные на рис. 2 залитыми, металлизированы или в них вставлены и пропаяны с двух сторон перемычки из отрезков неизолированного провода. Плата рассчитана на установку микроконтроллера ATtiny25-20PU в корпусе DIP-8, для которого предусмотрена панель, танталовых оксидных конденсаторов TECAP в корпусах C и D. Остальные конденсаторы и резисторы типоразмера 1206 для поверхностного монтажа.
Рис. 2. Печатная плата преобразователя и детали на ней
Для уменьшения числа переходных отверстий для выводов трансформатора предусмотрены разнесённые по плате контактные площадки, номера подключаемых к ним выводов трансформатора обозначены на рис. 2 цифрами красного цвета. Сам трансформатор T1 установлен поверх компонентов и зафиксирован каплей клея. Его намоточные данные приведены в упомянутой выше статье.
Конфигурация микроконтроллера DD1 должна быть запрограммирована в соответствии с таблицей. Она предусматривает его тактирование от внутреннего RC-генератора с частотой 8 МГц. Встроенный умножитель тактовой частоты (узел ФАПЧ) не используется, поэтому таймер-счётчик T/C1 работает на основной тактовой частоте. Дело в том, что, проверяя форму выходного напряжения, я обнаружил короткие выбросы, порождаемые работой узла ФАПЧ, и отказался от него, чтобы избежать проблем, связанных с подавлением этих выбросов в готовом устройстве.
Двухтактный преобразователь напряжения
Одной из популярнейших топологий импульсных преобразователей напряжения является двухтактный преобразователь или push-pull (в дословном переводе — тяни-толкай).
В отличие от однотактного обратноходового преобразователя (flyback), энергия в сердечнике пуш-пула не запасается, потому что в данном случае это — сердечник трансформатора, а не сердечник дросселя, он служит здесь проводником для переменного магнитного потока, создаваемого по очереди двумя половинами первичной обмотки.
Тем не менее, несмотря на то, что это именно импульсный трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации, напряжение стабилизации выхода двухтактника все равно может изменяться посредством варьирования ширины рабочих импульсов (с помощью широтно-импульсной модуляции).
В силу высокой эффективности (КПД до 95%) и наличия гальванической развязки первичной и вторичной цепей, двухтактные импульсные преобразователи широко используется в стабилизаторах и инверторах мощностью от 200 до 500 Вт (блоки питания, автомобильные инверторы, ИБП и т.д.)
На рисунке ниже изображена общая схема типичного двухтактного преобразователя. Как первичная, так и вторичная обмотки имеют отводы от середин, чтобы в каждый из двух рабочих полупериодов, когда активен только один из транзисторов, была бы задействована своя половина первичной обмотки и соответствующая половина вторичной обмотки, где напряжение упадет лишь на одном из двух диодов.
Применение двухполупериодного выпрямителя с диодами Шоттки, на выходе двухтактного преобразователя, позволяет снизить активные потери и повысить КПД, ведь экономически гораздо целесообразнее намотать две половины вторичной обмотки, чем нести потери (финансовые и активные) с диодным мостом из четырех диодов.
Ключи в первичной цепи двухтактного преобразователя (MOSFET или IGBT) должны быть рассчитаны на удвоенное напряжение питания, чтобы выдержать действие не только ЭДС источника, но и добавочное действие ЭДС, наводимых во время работы друг друга.
Особенности устройства и режима работы двухтактной схемы выгодно отличают ее от полумостовой, прямоходовой и обратноходовой. В отличие от полумостовой, здесь нет необходимости развязывать цепь управления ключами от входного напряжения. Двухтактный преобразователь работает как два однотактных прямоходовых преобразователя в одном устройстве.
К тому же, в отличие от прямоходового, духтактному преобразователю не нужна ограничительная обмотка, так как один из выходных диодов продолжает проводить ток даже при закрытых транзисторах. Наконец, в отличие от обратноходового преобразователя, в двухтактнике ключи и магнитопровод используются более щадящим образом, а эффективная длительность импульсов больше.
Во встроенных блоках питания электронных устройств все более популярны двухтактные схемы с управлением по току. При таком подходе проблема повышенного напряжения на ключах исключается на корню. В общую истоковую цепь ключей включается резистор-шунт, с которого снимается напряжение обратной связи для защиты по току. Каждый цикл работы ключей ограничивается по длительности моментом достижения током заданной величины. Под нагрузкой выходное напряжение, как правило, ограничивается посредством ШИМ.
При проектировании двухтактного преобразователя особое внимание уделяют подбору ключей, чтобы сопротивление открытого канала и емкость затвора были бы как можно меньше. Для управления затворами полевых транзисторов в двухтактном преобразователе чаще всего применяют микросхемы-драйверы затворов, которые легко справляются со своей задачей даже на частотах в стони килогерц, свойственных импульсным источникам питания любой топологии.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Пушпульный двухтактный импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, источник питания. Преимущества, недостатки, применение. Принцип работы. Примеры схем
Логичным развитием идеи прямоходового преобразователя является пушпульная схема. Действительно, если уж нам приходится мотать размагничивающую обмотку, то было бы интересно ее как-то использовать. В пушпульной топологии применяются два плеча. Обмотка одного плеча является размагничивающей для другого.
Схема работает так. Сначала открывается один ключ (например, правый). Ток идет по контуру S1. Работа цепи вторичной обмотки ничем не отличается от работы той же цепи прямоходового преобразователя. Потом правый ключ закрывается, а левый пока тоже закрыт. Начинает идти ток размагничивания. Он идет по контуру S2 по второй половинке первичной обмотки, а далее через обратный диод. Далее открывается левый ключ, и работа устройства повторяется зеркально. На схеме показана только половинка цикла с открытием правого ключа.
Вашему вниманию подборки материалов:
Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Как и для прямоходового преобразователя, очень важным является минимизация индуктивности утечки (связи) между двумя половинками размагничивающей обмотки. В идеальных условиях (при отсутствии индуктивности связи) напряжение на силовом ключе не может превышать удвоенное напряжение питания. Но эта паразитная индуктивность приводит к труднопрогнозируемым скачкам напряжения. Обычно делается запас по напряжению около 30%, но и его бывает недостаточно, если устройство работает при больших токах нагрузки. Чтобы минимизировать индуктивность связи обычно первичную обмотку мотают из жгута проводов. В жгуте берется вдвое больше проводов, чем получилось при расчете, мотается столько витков, сколько получилось в расчете для одной половинки обмотки, то есть для, например, L6. Потом провода в жгуте разбираются на две равных кучки, и соединяются внутри этих кучек. Получается две обмотки, хорошо сплетенные между собой. Это гарантирует низкую индуктивность утечки.
У меня, когда я только познакомился с этой схемой, сразу появились два вопроса:
Во-первых, нужны ли диоды, шунтирующие силовые ключи, если мы применяем полевые транзисторы. В полевых транзисторах итак конструктивно сформирован обратный диод между стоком и истоком. Но, как выяснилось, этот диод настолько плохого качества (очень большие время рассасывания и прямое падение напряжения), что в интересах повышения КПД и снижения нагрева силовых транзисторов этот диод никогда не должен открываться. Так что шунтирующие диоды нужны даже полевым транзисторам.
Во-вторых, зачем нужен диод VD2, ведь диодный мост и так проводит ток в нужном направлении. Но ток через мост идет через два диода, включенных последовательно, то есть падение напряжения на мосте будет вдвое больше, чем на одиночном диоде, а значит вдвое больше будут потери и нагрев.
Эти соображения относятся не только к пушпульной, но и к полумостовой и мостовой схемам.
В пушпульных схемах применяется ШИМ — контроллер, позволяющий управлять двумя силовыми ключами (не такой, как в рассмотренных ранее понижающей, повышающей, инвертирующей, обратноходовой и прямоходовой топологиях). Коэффициентом заполнения для такого контроллера мы будем считать произведение суммы времени в открытом состоянии правого и левого ключей и частоты работы контроллера. Мы очень любим микросхему 1156ЕУ2. Она как раз подходит для таких случаев и позволяет управлять как полевыми, так и биполярными транзисторами.
У пушпульных схем есть генетическая болезнь. Вследствие несимметричности плечей магнитопровод трансформатора может намагничиваться до насыщения. Чтобы этого избежать, применяется магнитопровод с небольшим зазором (как в прямоходовом варианте) и ограничивается максимальный коэффициент заполнения на уровне 80%. Это обеспечивает саморазмагничивание и компенсирует несимметричность плечей. Каждый ключ будет при таком выборе максимального коэффициента заполнения будет открыт максимум 40% времени.
Применение
Применяются пушпульные схемы для повышения напряжения, например, для получения высокого напряжения из низкого. Причем в том случае, если нужна мощность более 300 Вт. При меньшей мощности лучше подойдет прямоходовая топология. Предпочтение пушпульной или прямоходовой схемам отдается в том случае, если входное напряжение довольно небольшое. При этом через силовые ключи течет довольно большой ток. В названных топологиях в один момент времени ток протекает только через один ключ, что снижает потери. В мостовой схеме ток протекает сразу через два ключа, а в полумостовой через один ключ течет удвоенный ток. Так что эти схемы больше подходят для работы от более высокого напряжения. Зато максимальное напряжение на силовых ключах пушпульной или прямоходовой схем в разы превышает напряжение питания. Это приемлемо, если питание низковольтное. Найти транзистор на 75 В при питании от 25 В не составит проблем, но подобрать транзистор на 900 В при питании от 300 В будет затруднительно.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.