Семь шагов в электронику - А. Черномырдин

Преобразователи напряжений — одни из самых распространенных радиотехнических устройств. Они используются в качестве источников питания других устройств и имеют самые различные выходные напряжения и мощности.

По видам преобразователей напряжения различаются: преобразователи постоянного (DC) и переменного (АС) напряжений.

По соотношению входного и выходного напряжения различаются: повышающие (Step-Up) или понижающие (Step-Down) преобразователи.

Помимо собственно преобразования напряжений эти устройства могут реализовывать и дополнительные функции (например, защиту питаемого устройства от пропадания питающего напряжения — такие устройства называются источниками бесперебойного питания или UPS).

Преобразование одного постоянного напряжения в другое, в зависимости от их соотношения, можно сделать одним из двух способов:

♦ в случае понижения (например, с 220 В до 12 В) можно погасить излишек напряжения на регулирующем элементе.

♦ более универсальный способ — превратить каким-либо образом постоянное напряжение в переменное, произвести нужное преобразование переменных напряжений (например, из 12 В в 220 В) с помощью хорошо известного устройства — трансформатора, — а затем полученное переменное напряжение выпрямить, превратив таким образом в постоянное.

В большинстве случаев в преобразователях напряжений используют именно второй способ — первый может выполнять только понижение напряжения, не обеспечивает гальванической развязки напряжений и при большом различии входного и выходного напряжений отличается чудовищно низким КПД. Однако это не означает, что первый способ вообще не используется, — просто ему надо знать время и место!

Функциональная схема преобразователя напряжений приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Функциональная схема преобразователя напряжений

Она состоит из мощного генератора переменного напряжения (I), трансформатора (II), выполняющего нужные преобразования напряжений, и мощного выпрямителя (III). Кроме указанных компонент, в преобразователе часто присутствует дополнительный элемент — устройство управления (обеспечивает преобразователь дополнительными функциями, например, токовой защитой или плавным включением).

Идеальный преобразователь должен выполнять преобразование напряжений без потерь мощности, поскольку это — совершенно ненужные затраты, снижающие КПД. Естественно, в реальной жизни такого не бывает, и потери мощности при преобразовании неизбежны.

Причин потери мощности несколько.

Причина 1. Из соображений минимизации размеров трансформатора преобразование напряжений выполняют на повышенной частоте. Если силовой трансформатор мощностью 1 кВт, работающий на частоте 50 Гц, по весу и размерам вполне может сойти за двухпудовую гирю, то такой же трансформатор для частоты 100 кГц легко помещается на ладони.

Однако на таких высоких частотах резко возрастают потери в железе и меди трансформатора. Особенно в железе — в промышленности, например, токи частот 60–70 кГц используются для нагрева металла перед закалкой (т. е. до 700–800 градусов). Все это вынуждает:

♦ применять специальные материалы (ферриты), которые способны работать на столь высоких частотах с приемлемыми потерями мощности;

♦ обмотки выполнять многожильным проводом или несколькими скрученными проводами, чтобы снизить т. н. скин-эффект (он заключается в «выдавливании» высокочастотных токов из глубины проводника на его поверхность, в результате чего внутренняя часть проводника перестает участвовать в передаче тока, а это напрасный расход весьма дорогой меди).

Причина 2. Для того чтобы обеспечить минимальные потери мощности в инверторе, преобразование частоты выполняется не с помощью синусоидального переменного напряжения, а с помощью напряжения, имеющего прямоугольную форму.

В этом случае выходные ключи преобразователя работают в ключевом режиме (аналогично усилителям класса D), т. е. они либо полностью открыты (и тогда протекающий через них ток вызывает минимально возможные потери мощности), либо полностью закрыты (и тогда, естественно, вообще не вносят никаких потерь).

Проблема здесь заключается в том, что ни один силовой ключ не в состоянии мгновенно перейти из одного состояния в другое — он неизбежно проходит при этом стадию т. н. активного режима, в котором он больше всего похож на основательно подгоревший контакт. Именно в моменты перехода из одного состояния в другое на силовых ключах и происходит львиная доля всех потерь мощности.

Сократить потери при переходе ключей из одного состояния в другое — задача весьма непростая, и решается она как выбором быстродействующих ключей, так и схемно-техническими средствами (сокращением времени переключения ключей и уменьшением тока, протекающего через ключ в момент переключения).

Причина 3. по аналогичной причине — невозможности мгновенно открыться или закрыться, — происходят потери мощности на диодах выпрямителя. Здесь также задача снижения потерь мощности решается выбором диодов и схемно-техническими средствами.

Схемотехника преобразователей напряжения отличается большим разнообразием, однако ее можно разбить на несколько групп. Первое, самое очевидное, деление — преобразователи бывают однотактные и двухтактные. Легко догадаться, что эти группы отличаются количеством силовых ключей в схеме.

Однотактные преобразователи (рис. 7.2) содержат всего один силовой ключ, всего один выпрямительный диод, отличаются более простой схемотехникой, и практически всегда используются в источниках пихания сравнительно небольшой мощности.

Главный недостаток однотактных преобразователей — они работают при сильном подмагничивании магнитопровода трансформатора, поэтому далеко не всякий трансформатор будет пригоден для работы в однотактной схеме. По этой же причине достаточно сложно изготовить однотактный преобразователь на большие мощности.

Однотактные преобразователи, в свою очередь, делятся на две группы:

♦ прямоходовые (рис. 7.2, а), в которых передача энергии из источника в нагрузку происходит в тот момент, когда силовой ключ открыт.

♦ обратноходовые (fly-back, рис. 7.2, б), в которых передача энергии из источника в нагрузку происходит тогда, когда силовой ключ заперт.

Рис. 7.2. Принципиальные схемы однотактных преобразователей:

а — прямоходовой, б — обратноходовой

 Примечание.

Такое возможно потому, что в то время, когда силовой ключ открыт, энергия для передачи в нагрузку запасается в виде магнитного поля в магнитопроводе трансформатора, а при закрытом ключе уже эта запасенная энергия передается в нагрузку.

Схемотехнически эти две группы отличаются только полярностью включения выпрямительного диода и алгоритмом управления силовым ключом. Современные однотактные преобразователи по большей части являются обратноходовыми, в том числе и потому, что трансформатор для них проще в изготовлении и содержит меньшее число витков.

Двухтактные преобразователи напряжения (рис. 7.3) содержат вдвое большее число силовых ключей, вдвое большее число выпрямительных диодов, но зато практически не ограничены в выходной мощности.

Схемотехнически двухтактные преобразователи также можно разделить на две группы:

♦ схема со «средней точкой» (рис. 7.3, а)

♦ полумостовая (рис. 7.3, б) и мостовая (рис. 7.3, в) схема.

Рис. 7.3. Принципиальные схемы двухтактных преобразователей:

а — схема со «средней точкой»; б — полумостовая схема; в — мостовая схема

Первая группа фактически представляет собой два «рядом стоящих» прямоходовых однотактных преобразователя, работающих в противофазе.

 Примечание.

Двухтактных обратноходовых преобразователей не бывает, потому что такой режим требует применения управляемых особым образом ключей вместо выпрямительных диодов (впрочем, с появлением т. н. синхронных выпрямителей не исключено, что двухтактный обратноходовый преобразователь, наконец, появится).

Вторая группа очень похожа на двухтактные выходные каскады УНЧ. В двухтактных преобразователях подмагничивание трансформатора отсутствует (или, во всяком случае, не является неизбежной характеристикой схемы). Это существенно упрощает изготовление трансформатора (в частности, позволяет применять для трансформаторов кольцевые магнитопроводы без каких-либо ограничений).