Однотактные преобразователи

Однотактные преобразователи могут быть выполнены с обратным включением выпрямительного диода и с прямым включением. Рассмотрим однотактный преобразователь (усилитель мощности) с обратным включением выпрямительного диода (рис.5.2).

Рисунок 5.2 – Однотактный преобразователь с обратным включением диода

Положительный импульс управления открывает и насыщает транзисторный ключ VT. Полярность напряжения на вторичной обмотке W₂ такова, что диод VD закрыт и в магнитном поле трансформатора идёт накопление энергии – ток коллектора линейно нарастает. При запирании транзистора ЭДС самоиндукции меняет знак на противоположный, диод открывается и энергия магнитного поля переходит в электрическую – заряжается конденсатор C и питается нагрузка. Учитывая, что индуктивность первичной обмотки больше критической (L₁>L_кр), она не разряжается до нуля и ток через ключ в момент следующего включения меняется скачком. Напряжение на закрытом транзисторе

(5.1)

Если L₁< L_кр значит, ток разряда индуктивности будет спадать до нуля и начинаться тоже с нуля (на рисунке показано пунктиром). Возникают благоприятные условия для включения транзистора. Кроме того, в нагрузку передается вся энергия запасённая в индуктивности. Наилучшим, с точки зрения энергетики, является критический режим (L₁=L_кр). Но при изменении тока нагрузки режим работы ключа тоже будет меняться.

В преобразователе с обратным включением диода имеет место промежуточное накопление энергии в индуктивности первичной обмотки трансформатора – накопил, затем передал в нагрузку. Передача происходит при закрытом ключе (на обратном такте), отсюда и название схемы.

При прямом включении выпрямительного диода передача энергии от сети в нагрузку происходит при насыщенном транзисторе (на прямом такте). После закрывания VT конденсатор С поддерживает напряжение на Rн, поэтому в данной схеме, на таком же магнитопроводе можно получить вдвое большую мощность, чем в схеме с обратным включением диода. Форма тока коллектора близка к прямоугольной. Но здесь существует одно ”но”.

При насыщенном ключе, энергия источника через трансформатор передаётся в нагрузку и происходит намагничивание сердечника в прямом направлении, как показано на рис.5.3 (из точки а в точку с).

Рисунок 5.3 – Состояние магнитопровода

После отключения VT на нагрузку разряжается конденсатор, токи через обмотки трансформатора не протекают, поэтому магнитное состояние сердечника не изменяется (точка с). При следующем открывании VT сердечник войдет в состояние насыщения (из точки с в точку d) и трансформатор перестаёт работать как трансформатор. Чтобы этого не произошло, сердечник следует размагничивать (возвращать в точку а) во время разомкнутого состояния ключа. Значит, магнитную энергию сердечника надо либо вернуть в сеть (рекуперация), либо передать в нагрузку. Для этого делают дополнительную размагничивающую обмотку (W_P), как показано на рис.5.4.

Рисунок 5.4 – Однотактный преобразователь с размагничивающей обмоткой и диодом рекуперации

В этой схеме энергия возвращается в сеть. На прямом такте диод рекуперации VD_p закрыт и не влияет на процесс передачи энергии в нагрузку. На обратном такте ЭДС обмотки W_P (полярность показана на рисунке) создает ток, направленный в источник, который и размагничивает сердечник (рис. 5.3 отрезок d-a). Этот ток должен достигнуть нуля иначе процесс не будет стационарным, для этого W_р =W₁. Схема работает, но сердечник явно недоиспользуется по индукции (вместо возможного ). Поэтому диод VD_p заменяют транзистором VT_р, как показано на рис.5.5.

Здесь фазировка обмоток W₁ и W_Р другая, встречная. Сигнал на открывание ключа VT_P поступает после окончания импульса управления транзистором VT. А так как обмотки W₁ и W_р включены встречно, то обеспечивается форсированный режим выключения транзистора VT. При этом рабочая точка на кривой намагничивания (рис.5.3) будет перемещаться по кривой d-a-k. Это происходит за счёт энергии источника, а изменение индукции в сердечнике равно . (5.2)

Рисунок 5.5 – Однотактный преобразователь с размагничивающей обмоткой и транзистором

Существует множество схем однотактных конверторов с цепями размагничивания, питающихся как от источника, так и со стороны нагрузки. Основная проблема при проектировании это снижение перенапряжения на элементах схемы до уровня E_к и упрощение конструкции трансформатора путём исключения обмотки W_р.

Рассмотрим теперь автогенераторную схему (однотактную, с обратным включением диода). Она приведена на рис.5.6.

Рисунок 5.6 – Однотактный автогенератор с обратным включением диода

При подключении питания E_к через R₁ протекает базовый ток и транзистор VT открывается. Увеличивается ток коллектора, он наводит в обмотках W₁ и W_б ЭДС, полярность которой способствует ещё большему открыванию VT. Протекает лавинообразный процесс, рабочая точка по кривой намагничивания сердечника трансформатора заходит в область насыщения. Рост тока прекращается, ЭДС самоиндукции первичной обмотки меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток. Протекает лавиннообразный процесс, в результате которого VT запирается по базе, а индуктивность разряжается на нагрузку. После этого процесс повторяется. Частота автоколебаний зависит от индуктивности первичной обмотки и определяется из основной формулы трансформаторной ЭДС (2.13)

(5.3)

Здесь под напряжением U понимается напряжение, приложенное к обмотке трансформатора.

Очевидно, что ток, протекающий по первичной обмотке содержит постоянную составляющую. Поэтому трансформатор следует выполнять на сердечнике с немагнитным зазором, что очень не технологично, особенно при использовании тороидальных магнитопроводов. Более простым является перемагничивание трансформатора за счёт включения блокировочного конденсатора (С_бл) параллельно первичной обмотке. При этом получается колебательный контур с резонансной частотой:

(5.4)

Длительность паузы между импульсами тока должна быть больше одной четвёртой периода свободных колебаний

(5.5)

Однако это приводит к возрастанию потерь на переключение и снижению КПД до 75…60%. Поэтому используют двухтактные преобразователи.