| [Home] | [Donate!] [Контакты] |
Рассматривая работу блокинг-генератора, трудно не заметить явного сходства в его функционировании и функционировании импульсного обратноходового преобразователя напряжения. И там, и там имеется ключевой элемент (транзистор), периодически подключающий индуктивность к источнику напряжения, за счёт которого индуктивность накапливает энергию. Затем, когда ключевой элемент размыкает цепь, накопленная в индуктивности энергия передаётся в нагрузку (или рассеивается демпферной цепью в случае блокинг-генератора без нагрузки).
Поскольку процессы в блокинг-генераторе аналогичны процессам в обратноходовом преобразователе и для построения блокинг-генератора нужен всего лишь один транзистор, возникает соблазн построить однотранзисторный импульсный источник питания, который был бы предельно простым и дешёвым.
Импульсные источники питания, построенные на основе блокинг-генератора по однотранзисторной схеме, действительно существуют. Например, подобные устройства можно обнаружить среди "зарядных устройств" низшей ценовой категории для сотовых телефонов.
В стремлении до предела снизить стоимость, разработчики подобных устройств не ограничиваются использованием самой простой схемы преобразования на основе блокинг-генератора. Также становятся "жертвами оптимизации" другие, вспомогательные, но важные для импульсных источников питания узлы. Выпрямитель сетевого напряжения в таком источнике питания может быть построен по однополупериодной схеме, а не по мостовой (что даёт экономию в 3 диода); обычно полностью отсутствуют компоненты фильтрации электромагнитных помех; нет защиты от броска тока при включении; отсутствуют средства защиты от перегрузки и короткого замыкания (на входе и выходе), перенапряжения на выходе, перегрева; источник не защищается от всплесков напряжения в сети. Так что, в целом, получается простая и дешёвая схема, но с крайне скромными характеристиками и невысокой надёжностью. Тем не менее, она достаточно интересна и достойна подробного рассмотрения, чем далее и займёмся.
Оглавление
Блокинг-генератор может использоваться как в повышающих преобразователях (допустим, в устройствах с батарейным питанием, если устройству для работы требуется высокое напряжение), так и в понижающих (например, в источниках питания, работающих от сети). Здесь преимущественно будем рассматривать второй вариант, хотя основные идеи применимы и для повышающих преобразователей. Причём, основное внимание уделим общим вопросам, не останавливаясь на второстепенных деталях, вроде выпрямления сетевого напряжения, дополнительной стабилизации выходного напряжения или использовании элементов фильтрации и защиты (эти вопросы отчасти обсуждаются при рассмотрении конкретных образцов источников). То есть, перед нами стоит следующая задача. Сетевое напряжение тем или иным образом уже выпрямлено, пульсации сглажены и мы, таким образом, имеем источник постоянного напряжения величиной порядка 320 В (320 В - амплитудное значение, примерно соответствующее действующему сетевому напряжению 230 В). Требуется преобразовать его с помощью блокинг-генератора в постоянное низкое напряжение, обычно находящееся в пределах 5...10 В.
Начнём с рассмотрения принципов работы импульсного обратноходового преобразователя напряжения (на основе блокинг-генератора проще всего реализовать обратноходовой преобразователь), чтобы не отвлекаться на специфику работы блокинг-генератора и не загромождать изложение излишними деталями. И уже затем перейдём к вопросу построения импульсного преобразователя на основе блокинг-генератора.
Упрощённая схема трансформаторного импульсного обратноходового преобразователя изображена на рисунке %img:fbc0.
Кратко принцип работы преобразователя можно описать следующим образом (поясняющие диаграммы изображены на рис. %img:fbd1). Когда ключ Q1 замыкается, индуктивность L1 (первичная обмотка трансформатора T1) оказывается подключена к источнику напряжения V1. В результате ток через L1 начинает линейно возрастать, а трансформатор* T1 при этом накапливает энергию, получаемую от источника напряжения V1. В это время на вторичной обмотке L2 трансформатора индуцируется напряжение, являющееся запирающим для выпрямительного диода D1. Ток через диод, а значит, и через вторичную обмотку практически отсутствует. Нагрузка питается за счёт сглаживающего конденсатора C1. Продолжительность описанного этапа в работе преобразователя, который также называют прямым ходом, обозначим τ1.
* Примечание. Строго говоря, T1 здесь - не трансформатор, а дроссель, имеющий несколько (в данном случае две) индуктивно связанных обмоток. Для трансформатора накопление энергии - побочный процесс, в идеале энергия не накапливается, а сразу передаётся от одной обмотки к другой. В случае дросселя накопление энергии принципиально. Кстати, поскольку передаваемая в нагрузку мощность зависит от величины запасаемой дросселем энергии, которая определяется параметрами сердечника, то размеры дросселя могут оказаться заметно больше размеров аналогичного по мощности трансформатора, которому не требуется запасание энергии, а лимитирующим фактором, прежде всего, являются потери в обмотках.
Обратный ход начинается, когда ключ Q1 размыкается. Ток в первичной обмотке L1 при разомкнутом ключе равен нулю. Накопленную энергию трансформатор отдаёт через обмотку L2. Убывающий магнитный поток в сердечнике трансформатора индуцирует напряжения на обмотках с полярностью, которая противоположна полярности во время прямого хода. Поэтому диод D1 открывается, и запасённая трансформатором энергия расходуется на пополнение энергии конденсатора C1. Ёмкость конденсатора выбирают достаточно большой, чтобы за один цикл работы преобразователя, напряжение на нём изменялось незначительно и могло за время обратного хода считаться практически неизменным. Если пренебречь небольшим падением напряжения на открытом диоде D1, то напряжение на L2 во время обратного хода определяется напряжением на C1, т.е. также может считаться неизменным. А значит, ток через L2 во время обратного хода будет изменяться линейно (линейно убывать). Длительность обратного хода обозначим как τ2.
После завершения стадии обратного хода, преобразователь может некоторое время (τ3) оставаться в состоянии покоя (ключ разомкнут, токи в обмотках трансформатора отсутствуют). Состояние покоя обязательно присутствует при использовании ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления средней мощностью, передаваемой в нагрузку. В этом случае мы управляем длительностью прямого хода, тем самым одновременно определяя и длительность обратного хода. А так как при ШИМ частота импульсов, т.е. период одного цикла работы преобразователя не изменяется, то оставшееся время до конца периода после завершения прямого и обратного хода, образует интервал пребывания преобразователя в состоянии покоя. Интервал будет нулевым только в предельном режиме работы с ШИМ, когда передаваемая в нагрузку мощность максимальна.
Когда используется блокинг-генератор в качестве импульсного преобразователя напряжения, ситуация несколько иная. Для блокинг-генератора характерно нулевое значение τ3, что связано с особенностями функционирования генератора: в нём, при работе в режиме L-генератора, завершение обратного хода приводит к автоматическому запуску прямого хода. Управление передаваемой в нагрузку мощностью здесь происходит не посредством ШИМ, а с использованием комбинации частотно-импульсной модуляции и ШИМ: мы изменяем длительность прямого хода, одновременно с этим меняется длительность обратного хода, при этом изменяется и равный их сумме период полного цикла работы преобразователя (частота импульсов не фиксирована).
Далее приведены графики, поясняющие процессы в преобразователе при нулевой длительности τ3.
Рис. %img:fbd2. Процессы в обратноходовом преобразователе при нулевом τ3
Теперь рассмотрим процессы в преобразователе немного подробнее.
1. Прямой ход.
Когда ключ Q1 замкнут, напряжение на нём считаем нулевым,
$$
u_q=0,
$$
тогда напряжение на первичной обмотке L1 трансформатора T1, которую замкнутый ключ подключает к источнику напряжения V1, очевидно,
$$
u_1 = V_1.
$$
В (идеальной) индуктивности, подключённой к источнику постоянного напряжения, ток изменяется по линейному закону; в начальный момент ток нулевой, так что
$$
i_1 = \frac {V_1} {L_1} t.
$$
По мере роста тока через индуктивность, увеличивается и запасённая трансформатором энергия (получаемая от источника), которая может быть вычислена как
$$
W = \frac {L_1 i_1^2} 2.
$$
Если длительность прямого хода составляет τ1, то максимальное значение, которого достигнет ток через L1:
$$
\begin{equation}
I_{p1} = \frac {V_1 {\tau}_1} {L_1}.
\label{dip1}
\end{equation}
$$
Во время прямого хода на вторичной обмотке L2 трансформатора индуцируется напряжение $$ u_2 = u_1 / n = V_1 / n, $$ где n - коэффициент трансформации, который может быть найден как отношение количества витков N1 в первичной к количеству витков N2 во вторичной обмотке, $$ n = N_1 / N_2. $$ А так как индуктивность обмотки пропорциональна квадрату количества витков, коэффициент трансформации также может быть выражен как $$ \begin{equation} n = \sqrt {L_1 / L_2}. \label{nll} \end{equation} $$
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора во время прямого тока является запирающим для выпрямляющего диода D1, диод закрыт и напряжение на нём равно $$ u_{D1} = -(V_2 + V_1 / n). $$ При закрытом диоде, ток через него, а значит, и через обмотку L2 практически отсутствует, $$ i_2 = 0. $$ Нагрузка в это время питается за счёт сглаживающего конденсатора C1.
2. Обратный ход
Начинается с размыкания ключа Q1. Ток в первичной обмотке L1 при разомкнутом ключе отсутствует,
$$
i_1 = 0.
$$
Возврат накопленной трансформатором энергии происходит через вторичную обмотку L2. Магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает убывать, поэтому индуцируемое на обмотках напряжение меняет полярность на противоположную по отношению к той, которая была во время прямого хода. Это означает, что выпрямительный диод D1 открывается и энергия, накопленная трансформатором, расходуется на заряд сглаживающего конденсатора C1. Для минимизации пульсаций, ёмкость конденсатора C1 выбирается достаточно большой для того, чтобы за один цикл работы преобразователя, напряжение на конденсаторе изменялось незначительно. Тогда, пренебрегая небольшим падением напряжения на открытом диоде, получаем, что конденсатор во время обратного хода фиксирует напряжение на вторичной обмотке на практически неизменном уровне V2. С учётом выбранных положительных направлений отсчёта токов и напряжений,
$$
u_2 = - V_2.
$$
Вновь получаем ситуацию, когда имеем цепь из индуктивности (теперь это L2), подключённой к источнику с неизменным напряжением (напряжение V2 на C1), следовательно, ток в индуктивности будет изменяться по линейному закону. Поскольку ток индуктивности L2 направлен от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом (нижняя по схеме обкладка конденсатора C1 заряжена положительно), то ток будет убывать. Максимальным ток будет в начальный момент обратного хода. Определить максимальный ток можно, например, из закона сохранения энергии:
$$
\frac {L_1 I^2_{p1}} 2 = \frac {L_2 I^2_{p2}} 2,
$$
$$
\begin{equation}
I_{p2} = I_{p1} \sqrt{\frac {L_1} {L_2}} = n I_{p1}.
\label{rip2}
\end{equation}
$$
Кстати, то же самое могли бы получить и, исходя из того, что магнитный поток в сердечнике трансформатора непрерывен как функция времени (не может измениться скачкообразно).
В итоге, если за начальный момент принять начало обратного хода, получим следующее выражение для тока через L2 во время обратного хода: $$ i_2 = I_{p2} - \frac {V_2} {L_2} t. $$ Из условия $$ i_2({\tau}_2) = 0, $$ определяем длительность обратного хода: $$ {\tau}_2 = \frac {I_{p2} L_2} {V_2}. $$ Подставляя сюда выражение для максимального тока во вторичной обмотке \eqref{rip2}, учитывая также \eqref{dip1} и \eqref{nll}, выразим длительность обратного хода следующим образом: $$ {\tau}_2 = \frac {L_2} {V_2} n I_{p1} = \frac {L_2} {V_2} n \frac {V_1} {L_1} {\tau}_1 = \\ = {\tau}_1 \frac {V_1} {V_2} \frac {L_2} {L_1} n = \\ = {\tau}_1 \frac {V_1} {V_2} \frac 1 n. $$ Отсюда получаем, что соотношение между длительностью обратного и прямого хода определяется соотношением между входным и выходным напряжением и коэффициентом трансформации трансформатора: $$ \frac {{\tau}_2} {{\tau}_1} = \frac {V_1} {V_2} \frac 1 n. $$
По известному напряжению на вторичной обмотке, определяем напряжение во время обратного хода на первичной обмотке: $$ u_1 = n u_2 = - n V_2. $$ Тогда напряжение на закрытом ключе составит $$ u_q = V_1 + n V_2. $$
Интересно, что выходное напряжение преобразователя не зависит от коэффициента трансформации n трансформатора T1. Каково бы ни было выходное напряжение (т.е. напряжение на конденсаторе C1), трансформатор во время обратного хода всё равно отдаст запасённую энергию конденсатору, увеличив энергию конденсатора и немного увеличив напряжение на нём. Просто, чем больше напряжение на конденсаторе, тем импульс напряжения на обмотке будет больше по амплитуде и меньше по длительности. В итоге, если средняя мощность, передаваемая трансформатором, превышает среднюю мощность, потребляемую нагрузкой, напряжение на конденсаторе будет расти. Если передаваемая мощность меньше потребляемой - выходное напряжение будет снижаться. Для обеспечения постоянства выходного напряжения, для его стабилизации на заданном уровне, необходима цепь отрицательной обратной связи, за счёт которой происходило бы управление передаваемой через трансформатор мощностью.
Цепь обратной связи должна обеспечивать гальваническую развязку для того, чтобы была обеспечена развязка между выходом преобразователя и питающей сетью. Наиболее популярны два решения: с использованием оптрона и с использованием одной из обмоток трансформатора (это может быть дополнительная вспомогательная обмотка или даже сама первичная обмотка). Более простым вариантом является использование обмотки трансформатора. Как мы выяснили, напряжение на вторичной обмотке L2 во время обратного хода по абсолютной величине практически равно выходному напряжению источника. Но напряжения на всех обмотках трансформатора пропорциональны, поэтому измерив (с помощью какого либо пикового детектора) величину импульса во время обратного хода на любой обмотке, назовём её измерительной, и, зная соотношение между количествами витков в обмотке L2 и измерительной обмотке, определим тем самым выходное напряжение преобразователя.
Недостаток описанного способа - ограниченная точность из-за наличия падений напряжения на диоде и внутреннем сопротивлении обмотки и зависимости их от величины тока нагрузки. Большую точность можно получить, применяя вариант с оптроном.
Возможность получить требуемое выходное напряжение при любом значении коэффициента трансформации не означает, что n выбирается произвольно. Напротив, от правильного выбора коэффициента трансформации зависит очень многое. Это и соотношение между длительностью прямого и обратного хода, $$ \frac {{\tau}_2} {{\tau}_1} = \frac {V_1} {V_2} \frac 1 n, $$ и амплитуда обратного напряжения на диоде, $$ V_{D1} = V_2 + V_1 / n, $$ и пиковое напряжение на закрытом ключе, $$ V_q = V_1 + n V_2. $$ Чем больше коэффициент трансформации (чем более "понижающим" является трансформатор), тем меньше будет длительность обратного хода (это выгодно, так как увеличивается доля времени на накопление энергии, а значит, трансформатор используется более полно по мощности) и меньше будет амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде (что тоже выгодно). Но, увеличивая n, вместе с тем увеличиваем пиковое напряжение на ключе (максимальная допустимая величина ограничена параметрами используемого ключа).
Наоборот, уменьшая n, увеличиваем время обратного хода по сравнению со временем прямого хода (это не выгодно, так как трансформатор не полностью используется по мощности), увеличиваем амплитуду обратного напряжения на диоде (требует использования рассчитанного на большее напряжение диода, а значит, более дорогого и, возможно, с большими потерями в открытом состоянии). Кроме того, для увеличения коэффициента трансформации требуется увеличивать количество витков во вторичной обмотке, тем самым увеличивая ёё размер и размер трансформатора в целом. Но, с другой стороны, уменьшается пиковое напряжение на ключе, что благоприятно сказывается на его режиме работы. Таким образом, окончательный выбор n является компромиссным решением, принимаемым с учётом всех перечисленных соображений.
Типовая схема блокинг-генератора, используемого в качестве основы для импульсных источников питания, имеет следующий вид (рис. %img:bo; на схеме также указаны ориентировочные номиналы элементов для источника мощностью до 5 Вт с выходным напряжением порядка 5 В).
Данная схема скорее ближе к L-генератору, чем к обычному блокинг-генератору, подробнее об этом смотрите "Принцип действия блокинг-генератора".
Для подключения нагрузки, здесь, по сравнению с обычным блокинг-генератором, появляется ещё одна вторичная обмотка (L3) трансформатора, к которой подключён выпрямитель (диод D2) и сглаживающий фильтр (конденсатор C3). Наличие нагрузки позволяет в отдельных случаях исключить демпферную цепь, но часто она всё же имеется для подавления всплесков напряжения, индуцируемых на индуктивности рассеяния первичной обмотки в момент размыкания ключа.
Функционирует генератор как обычный обратноходовой преобразователь напряжения: транзистор Q1 периодически открывается, подключая L1 к источнику напряжения V, благодаря чему трансформатор накапливает энергию, затем, Q1 закрывается, после чего трансформатор отдаёт накопленную энергию через обмотку L3, подзаряжая сглаживающий конденсатор C3.
Как уже было отмечено ранее, в таком виде, без цепи отрицательной обратной связи, преобразователь не может использоваться в качестве полноценного источника питания из-за нестабильности выходного напряжения. После включения такого устройства, его выходное напряжение будет расти до тех пор, пока потребляемая нагрузкой мощность не сравняется с мощностью, отдаваемой трансформатором через обмотку L3. Для обеспечения постоянства выходного напряжения, для его стабилизации на заданном уровне, необходима цепь отрицательной обратной связи, за счёт которой происходило бы управление блокинг-генератором с целью регулировки передаваемой в нагрузку мощности. Самый простой способ ввести отрицательную обратную связь (с гальванической развязкой) - использовать дополнительную обмотку трансформатора. Точнее, дополнительная обмотка даже не потребуется - можно использовать уже имеющуюся обмотку L2, которая и так необходима для работы самого блокинг-генератора (рис. %img:smps).
С помощью диода D3 фиксируем на конденсаторе C4 пиковое напряжение на обмотке L2 во время обратного хода. Это напряжение пропорционально напряжению на L3 во время обратного хода. Но, как ранее выяснили, напряжение на L3 во время обратного хода (практически) равно напряжению на выходе (на нагрузке). Часто делают обмотки L2, L3 одинаковыми (с одинаковым количеством витков), тогда напряжение на C4 будет просто равно выходному напряжению. То есть, получили простой способ измерения выходного напряжения, обеспечивающий гальваническую развязку.
Напряжение на C4 используется для управления блокинг-генератором следующим образом. Между верхней по схеме обкладкой, которая имеет отрицательный потенциал, и базой транзистора включён стабилитрон D4. Стабилитрон выбирается такой, чтобы его напряжение стабилизации было примерно на 1 В выше напряжения, которое хотим получить на выходе преобразователя.
Пока выходное напряжение преобразователя мало и, соответственно, мало равное ему по абсолютной величине напряжение на конденсаторе C4, ток стабилитрона мал и он слабо влияет на работу блокинг-генератора. По мере увеличения выходного напряжения, импульсы тока стабилизации через стабилитрон увеличиваются (они появляются во время прямого хода преобразователя, когда на базу подаются открывающие транзистор импульсы напряжения), уменьшая тем самым импульсы базового тока. При меньших по амплитуде импульсах открывающего базового тока, получаем меньшие длительности интервалов, на которых транзистор открыт - это следует из принципа работы блокинг-генератора. Длительность прямого хода уменьшается, соответственно уменьшается длительность обратного хода (так как они пропорциональны), в целом период колебаний также уменьшается, следовательно, частота увеличивается. Вместе с тем, уменьшение длительности прямого хода приводит к уменьшению той величины, которой успевает достичь ток в первичной обмотке L1 трансформатора: при открытом транзисторе ток в обмотке растёт линейно, поэтому максимальное достигаемое его значение пропорционально длительности прямого хода. Передаваемая в нагрузку мощность пропорциональна частоте переключений (количеству тактов преобразователя за единицу времени) и пропорциональна энергии, передаваемой за один такт работы преобразователя. Как мы выяснили, частота растёт, но передаваемая за такт энергия снижается - она пропорциональна квадрату максимального тока в индуктивности, а максимальный ток пропорционален длительности прямого хода.
Итак, частота обратно пропорциональна периоду, энергия за один такт пропорциональна квадрату периода. В целом, передаваемая в нагрузку мощность оказывается пропорциональной периоду рабочего цикла преобразователя и снижается с уменьшением длительности прямого хода и периода колебаний, т.е. с увеличением выходного напряжения. При снижении передаваемой в нагрузку мощности, сглаживающий конденсатор начинает разряжаться и выходное напряжение снижается.
При снижении выходного напряжения, напряжение на C4 также уменьшается по абсолютной величине, уменьшается обратное напряжение на стабилитроне, уменьшается его ток стабилизации, импульсы базового тока, открывающие транзистор, увеличиваются по амплитуде, что приводит к увеличению длительности прямого хода преобразователя. Передаваемая в среднем в нагрузку мощность возрастает, начинает расти выходное напряжение. Таким образом, любое отклонение выходного напряжения от номинального значения, компенсируется за счёт регулирования средней передаваемой нагрузке мощности.
Как уже отмечалось, коэффициент трансформации n трансформатора T1 не влияет на выходное напряжение обратноходового преобразователя. Что не делает правильный выбор n менее ответственным делом, так как он влияет на соотношение между временем прямого и обратного хода; амплитуду импульсов обратного напряжения на выпрямительном диоде; пиковое напряжение на ключе во время обратного хода.
Смотрите далее - пример реального источника питания, построенного на основе рассмотренной схемы:
Зарядное устройство AMT Style
