Однотактные преобразователи напряжения.

 Однотактные преобразователи напряжения.

Источник питания - это основа основ практически любого электронного устройства. От его работоспособности и правильности функционирования зависит и работа самого устройства. В данной статье рассмотрены еще популярные на сегодняшний день источники питания - импульсные однотактные.
То, что однотактные источники питания являются часто применяемыми на современном этапе развития электроники - это реальность. Область применения этих устройств необычайно широка: мониторы, телевизоры, принтеры лазерные, струйные и матричные, копировальные аппараты, видеомагнитофоны и факсы и т.д., и т. п. Достаточно часто однотактные источники используются в качестве источников питания для системных блоков ПК, потеснив в этом сегменте двухтактные источники. Рассмотрим работу обобщенной схемы однотактного импульсного блока питания, приведенной на рис.1.

Рис. 1

Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости, являющимся фильтром выпрямленного напряжения. В результате на выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение номиналом около +300 В. Это напряжение подается на схему пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу же после включения блока питания. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой несколько десятков кГц. Эти импульсы управляют состоянием мощного высокочастотного ключевого транзистора, то есть открывают и закрывают его. Нагрузкой этого транзистора является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора. В результате переключения транзисторного ключа, в первичной и во всех вторичных обмотках трансформатора наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются однополупериодными выпрямителями (вторичные выпрямители). Когда силовой транзистор открыт, выходное напряжение сетевого выпрямителя прикладывается к первичной обмотке трансформатора и через нее протекает ток, нарастающий по экспоненциальному закону (причем на начальном этапе экспоненты нарастание тока идет практически по линейному закону). В это время в трансформаторе происходит накопление магнитной энергии. Когда же транзистор закрыт, ток через первичную обмотку не протекает, а течет во вторичной обмотке, т.е. накопленная магнитная энергия передается в нагрузку.
Для защиты ключевого транзистора в состав источника питания обычно вводится схема токовой защиты, которая должна закрыть транзистор в том случае, если ток через него превысит допустимое значение.
В рабочем режиме схема управления потребляет значительный ток, который не может быть обеспечен схемой запуска. Поэтому питающее напряжение в этом случае формируется специальной цепью питания в рабочем режиме. Это напряжение создается за счет выпрямления импульсов ЭДС, создаваемых в одной из вторичных обмоток импульсного трансформатора.
Стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сигнал обратной связи, по которому осуществляется стабилизация, обычно снимается с канала одного из выходных напряжений. Сигнал обратной связи подается на схему управления через элемент гальванической развязки.
Количество вторичных выпрямителей и количество выходных каналов источника питания определяется разработчиком устройства. Обычно каждому выходному напряжению соответствует своя вторичная обмотка и вторичный выпрямитель.
Особенностями однотактного преобразователя можно считать использование одного ключевого транзистора и протекание тока через первичную обмотку импульсного трансформатора только в одном направлении.
Однотактный преобразователь может быть выполнен по одной из двух схем:
- прямоходовой преобразователь;
- обратноходовой преобразователь.
Тип преобразователя можно определить, проанализировав полярность подключения выпрямительных диодов к вторичным обмоткам импульсного трансформатора, направление намотки вторичных обмоток и конструктивными особенностями импульсного трансформатора.
Однотактный прямоходовой преобразователь
В прямоходовых преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей вторичных выпрямителей (ток через диоды выпрямителей) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в обратноходовых - во время закрытого состояния. Возможные принципиальные схемы прямоходовых преобразователей приводятся на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2.

Рис. 3.

Энергия в цепь нагрузки передается через диод D1 во время открытого состояния транзистора Q1. Одновременно в сердечнике дросселя L1 накапливается магнитная энергия (токи через дроссель и первичную обмотку трансформатора W1 на этом этапе линейно нарастают), которая затем во время закрытого состояния Q1 выдается в нагрузку через диод D2. При этом магнитная энергия дросселя линейно уменьшается. Магнитная энергия, накопленная в сердечнике трансформатора Т1 за время открытого состояния Q1, снова возвращается в источник во время закрытого состояния Q1. Этот возврат (рекуперация) осуществляется с помощью обмотки размагничивания Wр и диода D3. В противном случае сердечник трансформатора оказался бы в состоянии насыщения, что при следующем открывании транзистора Q1 привело бы к выводу его из строя чрезмерно большим током в обмотке W1, индуктивность которой была бы очень мала. Таким образом, в прямоходовом преобразователе трансформатор служит только для трансформации энергии.

Исходя из этого принципа, трансформатор должен выполняться таким, чтобы запасаемая в его сердечнике магнитная энергия за время открытого состояния транзистора, была бы минимальной. Идеализированные эпюры токов и напряжений для прямоходового преобразователя приводятся на рис. 4.

Рис. 4.

Однотактный обратноходовой преобразователь
Принципиальная схема обратноходового преобразователя приводится на рис. 5.

Рис. 5.

Трансформатор Т1 во время открытого состояния транзистора Q1 запасает магнитную энергию, так как через первичную обмотку и открытый Q1 протекает нарастающий во времени ток. Во время закрытого состояния транзистора Q1 трансформатор Т1 отдает накопленную энергию через диод D1 и конденсатор С1 в нагрузку. Во время открытого состояния транзистора диод D1 закрыт, и нагрузка получает энергию только от конденсатора С1. Обратноходовой преобразователь является единственным типом преобразователей с одним только индуктивным элементом в виде трансформатора Т1, который служит для накопления и трансформации энергии. Поскольку трансформатор Т1 является накопительным элементом, то большое значение приобретает линейность характеристики намагничивания его сердечника в большом диапазоне значений индукции. Однако все магнитные материалы характеризуются наличием области насыщения, где изменение тока через первичную обмотку уже не вызывает изменения магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения, сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции.
Идеализированные эпюры токов и напряжений для обратноходового преобразователя приводятся на рис.6.

Рис. 6.

При небольших значениях мощности более эффективными являются обратноходовые преобразователи, которые помимо прочего, реализуются меньшим количеством радиоэлементов. Так, например, в обратноходовых не применяют накапливающий дроссель во вторичных выпрямителях, не нужен рекуперационный диод с размагничивающей обмоткой трансформатора и, кроме того, во вторичных выпрямителях обходятся одним диодом. В связи с этим в подавляющем большинстве современных блоков питания мониторов нашли применение именно обратноходовые преобразователи. 

Современные однотактные преобразователи можно разделить на две группы:
- автогенераторные преобразователи;
- преобразователи, управляемые специализированными микросхемами - ШИМ-контроллерами.
На сегодняшний день, более распространены управляемые преобразователи. Производители элементной базы поставляют на рынок очень много микросхем ШИМ-контроллеров с самыми различными характеристиками, что позволяет использовать их для построения абсолютно любого источника питания. Однако говорить о том, что автогенераторные преобразователи стоит забыть и они абсолютно беспереспективны еще слишком рано - область их применения достаточно широка.