Источник питания на двухбазовом диоде

Источник питания на двухбазовом диоде

В статье рассматриваются принципы построения обратноходового импульсного источника питания для зарядки автомобильных аккумуляторов с использованием инвертора состоящего из генератора на двухбазовом диоде (однопереходном транзисторе) и мощного транзисторного ключа.

Введение: Конструирование источников питания на силовых трансформаторах прекратилась ещё в прошлом веке, ввиду больших габаритов и массы, и потерями электроэнергии на нагрев стабилизирующих элементов.

Разработка мощных высокочастотных транзисторов привела к их использованию в лёгких малогабаритных источниках тока. Применение ферритовых высокочастотных трансформаторов позволяют выполнить инвертирование энергии в нагрузку на частотах — соизмеримых с длиной радиоволн.

Трёхфазный генератор переменного тока автомобиля при выпрямлении и стабилизации выходного напряжения не имеет циклической составляющей с определённой скважностью для импульсного режима восстановления аккумулятора, возможно это боязнь повредить электронную начинку автомобиля, аккумулятор в автомобилях заряжается без снятия крупнокристаллической сульфатации, что приводит его к преждевременному износу. Помехи импульсных источников питания легко устраняются введением сетевых фильтров в блоках питания и подачей энергии в нагрузку при отключенном инверторе, то есть при отсутствии преобразования – снижении тока преобразования почти до нуля, и устранением паразитных колебаний вызванных резонансом контура обмоток высокочастотного трансформатора.

Для борьбы с этим отрицательным эффектом используется специальный порядок намотки обмоток трансформатора с применением внутренних межобмоточных экранов, снижением поверхностного эффекта тока простым расщеплением проводников на большее количество с меньшим сечением.

Принцип работы: В однотактный преобразователь входит два основных элемента – тактовый генератор на однопереходном транзисторе и блокинг- генератор на мощном транзисторе. Инвертирование энергии происходит многократно: энергия электросети выпрямляется диодным мостом и подаётся на ключевой преобразователь в виде постоянного напряжения.

Высокочастотный ключ инвертора на транзисторе преобразует постоянное напряжение питания в импульсный ток первичной обмотки трансформатора.
Вторичное напряжение выпрямляется и подаётся на нагрузку.

В обратноходовых инверторах (1), в период замкнутого состояния транзисторного ключа, идёт накопление энергии в трансформаторе. Передача накопленной в трансформаторе энергии в нагрузку происходит при нахождении транзисторного ключа в разомкнутом состоянии.

Однополярное намагничивание феррита трансформатора приводит к остаточной намагниченности трансформатора после магнитного насыщения магнитопровода.

Для однополярного намагничивания важно наличие немагнитного зазора в замкнутом магнитопроводе, он уменьшает остаточную магнитную индукцию, в результате чего можно снимать гораздо больший ток нагрузки без насыщения трансформатора.

Энергия, запасённая в трансформаторе за время коммутирующего импульса, не всегда успевает рассеяться за время паузы, это может привести к насыщению трансформатора и потере магнитных свойств. Для устранения этого эффекта первичная цепь трансформатора шунтирована быстродействующим диодом с резистивной нагрузкой.

Дополнительное действие оказывает отрицательная обратная связь с эмиттера ключевого транзистора на его базу через параллельный стабилизатор- такое решение позволяет ключевому транзистору переключится до насыщения магнитопровода, что снижает его температуру и улучшает рабочее состояние устройства в целом.

Вторичное высокочастотное напряжение трансформатора выпрямляется и подаётся в нагрузку. Для защиты транзисторного ключа в электронную схему вводятся элементы защиты от теплового и электрического пробоя. В момент переключения транзисторного ключа на обмотке индуктивного реактора возникают колебания импульсных напряжений, превышающие напряжение питания в несколько раз, что может привести к пробою транзисторного ключа.

В этом случае обязательно устанавливается демпфирующий диод для симметрии протекающего двухполярного тока.

Управление почти всей мощностью преобразования одним транзистором требует выполнение некоторых условий его безаварийной работы (2):
1. Ограничение базовых и коллекторных токов до допустимых пределов.
2. Отсутствие дефектов в электронных компонентах.
3. Правильно рассчитанный трансформатор.
4. Устранение возможного пробоя импульсными напряжениями преобразователя.
5. Снижение перегрева ключевого транзистора.
6. Переключение ключевого транзистора до момента насыщения магнитопровода.

Источником высокочастотных электромагнитных помех (3) является паразитный высокочастотный резонанс контура, образованного индуктивностью рассеивания и выходной ёмкостью цепей транзистора и трансформатора, возникающих в процессе преобразования энергии.

Необходимо оптимизировать конструкцию трансформатора для максимального снижения индуктивности рассеивания, выполнить выбор сечения и количества проводников, уменьшить собственную ёмкость трансформатора, правильно выбрать транзисторный ключ и элементы кламперной цепи, подавляющей выброс обратного напряжения.

В схему инвертора входят:
1. Сетевой высоковольтный выпрямитель с фильтрами помех преобразования.
2. Элементы ограничения тока заряда конденсаторов сетевого фильтра.
3. Элементы защиты от импульсных помех высокого уровня.
4. Цепи преобразования вторичного напряжения.
5. Элементы индикации преобразования.
6. Формирователь импульсов запуска на однопереходном транзисторе VT1.
7. Блокинг – генератор на транзисторе VT2.
8. Элементы защиты от предельных токов силового ключа.
9. Параметрический стабилизатор напряжения питания генератора.
10. Элементы стабилизации выходного напряжения.

Характеристики транзисторного инвертора:
Напряжение сети 220Вольт
Вторичное напряжение 13,8 Вольт
Ток заряда максимальный 10Ампер
Ёмкость аккумулятора 24-120 А/час
Ток восстановления аккумулятора 0,05С 1,2-6 ампер
Время восстановления 3-5 часов.
Потребляемая мощность 160ватт.
Частота преобразования 23кГц

Описание принципиальной схемы:
В состав принципиальной схемы входит сетевой выпрямитель напряжения электросети на диодной сборке VD4. Коммутационные помехи в импульсных источниках питания возникают как следствие применения переключающего режима работы мощных регулирующих элементов (4). Для защиты сети и преобразователя от импульсных помех установлен сетевой фильтр на двухобмоточном дросселе T2 с конденсаторами С7, С8,С10 для подавления нессиметричных помех.

Двухобмоточный дроссель Т2 с синфазно включенными обмотками служит для подавления симметричных помех.

Ограничение зарядного тока конденсатора фильтра C4 выполнено на позисторе RT1,сопротивление которого падает с повышением температуры корпуса.
Импульсные помехи преобразователя, образованные ключевым транзистором VT2 и обмотками трансформатора Т1, в моменты переключения токов устраняются параллельными RC –цепями – VD2C5R11 и C6R13.

Снижение импульсных помех преобразования в низковольтных цепях нагрузки устраняются введением индуктивности L1 в одну из цепей. Длительность пауз между импульсами выходного тока при этом незначительно увеличивается без ухудшения преобразования.

Возможно использование в схеме магнитных дросселей из аморфного сплава.
Двунаправленный индикатор на светодиоде HL1 и цепь стабилитрона VD1 снижают уровень высоковольтных импульсных помех в цепях питания инвертора.

Формирователь импульсов запуска инвертора выполнен на двухбазовом диоде (однопереходном транзисторе) VT1. Импульсный блокинг- генератор собран на транзисторе VT2.

Стабилизация выходного напряжения выполняется оптопарой U1. Вторичное напряжение, с гальваническим разделением, через оптопару автоматически поддерживает поступление напряжения обратной связи с обмотки 2Т1 на вход транзистора VT2.

При подаче сетевого питания напряжение с конденсатора фильтра C4 через обмотку 1Т1 поступает на коллектор транзистора VT2 инвертора.
Зарядно-разрядный цикл конденсатора C1 создаёт на резисторе R4 последовательность импульсов с частотой зависящей от сопротивления резисторов R1,R2 и конденсатора С1.

Напряжение питания генератора на однопереходном транзисторе стабилизировано диодом VD1. Импульсное напряжение с резистора R4 открывает транзистор VT2 на несколько микросекунд, ток коллектора VT2 возрастает до 3-4 ампер.
Протекание коллекторного тока через обмотку 1Т1(5) сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника — после окончания положительного импульса ток коллектора прекращается.

Прекращение тока вызывает появление в катушках ЭДС самоиндукции, которая создаёт на вторичной обмотке 3Т2 положительный импульс.

При этом через диод VD5 протекает положительный ток. Положительный импульс обмотки 2Т1 через резисторы R5,R9,R14 поступает на базовый вывод транзистора VT2. Конденсатор С3 поддерживает устойчивость работы блокинг-генератора и схема переходит в режим автоколебаний. Повышение напряжения нагрузки приводит к открытию светодиода оптопары U1, фотодиод шунтирует сигнал с обмотки 2Т2 на минус источника питания, уровень импульсного напряжения на базе транзистора VT2 понижается со снижением зарядного тока аккумулятора GB1. Перегрузка транзистора VT2 токами приводит к увеличению уровня импульсного напряжения на резисторе R12 цепи эмиттера, открыванию параллельного стабилизатора напряжения на таймере DA1. Шунтирование импульсного напряжения на входе транзистора VT2 приведёт к снижению энергии в сердечнике трансформатора, вплоть до форсированной остановки режима автоколебаний.

Напряжение отсечки тока транзистора VT2 корректируется резистором R10.
После устранения сбоя произойдёт повторный запуск блокинг-генератора от формирователя импульсов запуска на транзистор VT1.

Выбор высокочастотного трансформатора зависит от мощности нагрузки.
При эффективном токе нагрузки в десять ампер и напряжении вторичной обмотки 16 вольт мощность трансформатора составит 160 ватт. С учётом действия тока заряда на аккумулятор для его восстановления достаточно мощности не более 100 ватт.
Мощность трансформатора напрямую зависит от частоты автогенератора и марки феррита, и при увеличении частоты в десять раз мощность увеличивается почти в четыре раза. Ввиду сложности самостоятельного изготовления в схеме использован трансформатор от монитора, возможно использование и от телевизоров.
Рекомендации по самостоятельному изготовлению высокочастотного трансформатора в (6).

Примерные данные трансформатора Т1:
Б26М1000 с зазором в центральном стержне 1-56 витков ПЭВ-2 0,51, 2 — четыре витка ПЭВ2 0,18, 3– 14 витков ПЭВ-2 0,31*3.

Наладку схемы начинают с проверки платы печатного монтажа, в цепь разрыва сетевого питания включают лампочку 220 вольт любой мощности, вместо нагрузки лампочку от автомобиля 12 вольт 20свечей. При первом включении и неисправных деталях сетевая лампочка загорит ярким светом — автомобильная не горит, при исправной схеме сетевая лампочка может гореть слабым накалом, а автомобильная ярко. Яркость лампочки в нагрузке, можно поднять или понизить резисторами R1. Защита от перегрузки по току устанавливается резистором R10, стабилизация напряжения под максимальной нагрузкой, регулируется резистором R5.
Резистором R15, при установке иных оптопар, корректируется ток светодиода оптопары U1 в пределах 5-6 мА.

При наличии осциллографа удобно проверить работу генератора на транзисторе VT1 с временной подачей на инвертор напряжения питания 30-50 вольт,частоту генератора можно изменить резистором R1 или конденсатором C1.

При слабой обратной связи (велико значение сопротивления резистора R5) или неверном подключении обмотки 2Т2 в режиме блокинг-генератора транзистора VT2 может отключиться от кратковременной перегрузки и не работать,повторный запуск произойдёт после повторного включения схемы, обратная связь с обмотки 2Т1 позволяет работать схеме в режиме автозапуска и последующего выбора устойчивого состояния работы схемы установкой значения резистора R5.

Читайте также  Pic16f877a - отладочная плата

Таблица 1: Транзисторы обратноходовых преобразователей:

Мультивибратор на эквиваленте двухбазового диода мостового типа

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 22Х11.1966 (№ 1091091/26-9) с присоединением заявки №

Опубликовано 29.ХН.1967. Бюллетень ¹ 3

Дата опубликования описания 1.III.1968

Квинтет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

УДК 621.373.431.1 (088.8) Автор изобретения

МУЛЬТИВИБРАТОР НА ЭКВИВАЛЕНТЕ ДВУХБАЗОВОГО

ДИОДА МОСТОВОГО ТИПА

Известны мультивибраторы на эквиваленте двухбазового диода мостового типа, содержащие два транзистора разного типа проводимости.

Недостатком этих устройств является ограничение повышения частоты генерации и влияние колебаний напряжения питания на ча стоту следования импульсов.

Предлагаемый мультивибратор на эквиваленте двухбазового диода мостового типа, содержащий два транзистора разного типа проводимости, у каждого из которых база соединена с коллектором другого транзистора, отличается от известных тем, что эмиттеры транзисторов, включенных в диагонали мостов, подключены между сопротивлением и емкостью управляющих RC-цепочек двух плеч мостов, соединенных с источником питания, а цепи соединения коллекторов и баз транзисторов разного типа проводимости подключены к общей точке последовательно соединенных сопротивлений двух других плеч мостов, соединенных с источником питания.

Предложенное устройство позволяет повысить частоту генерации и уменьшить зависимость частоты следования импульсов от изменения напряжения питания.

На чертеже изображена принципиальная схема пред,ложенного устройства, содержащего два моста, первый из которых состоит из сопротивлений 1, 2, 8 и конденсатора 4, в диагональ которого включен базово-эмиттерный переход транзистора 5, а второй мост состоит из сопротивлений б, 7, 8 и конденсатора

9, в диагональ которого включен базово-эмиттерный переход транзистора 10.

Работа устройства происходит следующим о бр азом.

B результате разброса параметров и напря>кений в средних точках делителей напряжения, состоящих из сопротивлений 2, 8 и б, 7, отпирание транзисторов 5 и (О будет происходить неодновременно.

Поэтому период повторения импульсов бу1б дет определяться при одинаковых уровнях заряда конденсаторов 4 и 9 максимальной постоянной времени, так как транзистор, открывшийся ранее, не вызовет регенеративного процесса в связи с тем, что второй транзистор

20 будет заперт и цепь положительной обратной связи будет разомкнута. В момент отпирания второго транзистора возникает регенеративный процесс включения эквивалента двухбазового диода, в конце которого оба транзисто25 ра 5 и 10 полностью открываются и входят в насыщение. В течение импульса транзисторы

5 и 10 находятся в насыщенном состоянии, а конденсаторы 4 и 9 разряжаются. Когда ток разряда конденсаторов 4 и 9 перестает обес30 печивгть удержание транзисторов 5 и 10 в

Составитель С. Маценко

Редактор E. Л. Хаскелис Техред Л. Я. Бриккер Корректоры: А. П. Татаринцева и М. П. Ромашова

Заказ 186/6 Тираж 530 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, д. 2 состоянии насыщения, возникает обратный регенеративный процесс, в конце которого транзисторы 5 и 10 оказываются полностью запертыми и конденсаторы 4 и 9 начинают заряжаться. В дальнейшем процесс повторяется периодически. Улучшение частотных свойств (повышение максимальной частоты генерации) по сравнению с известными мостовыми мультивибраторами на эквиваленте двухбазового диода достигается за счет того, что потенциалы на эмиттерах обоих транзисторов 5 и 10 стремятся уравняться и, вследствие этого напряжение на переходах эмиттер — база стремится к нулю, автоматически создавая условия, обусловливающие выход транзисторов 5 и 10 из насыщения и возникновение обратного регенеративного процесса, тогда как в известном мостовом мультивибраторе на эквиваленте двухбазового диода для обеспечения выхода транзисторов из насыщения необходимо, чтобы зарядное сопротивление управляющей RC-цепочки было в несколько раз больше того сопротивления в делителе напряжения, которое подключено к минусу источника питания.

5 Предмет изобретения

Мультивибратор на эквиваленте двухбазового диода мостового типа, содержащий два транзистора разного типа проводимости, у каждого из которых база соединена с коллектором другого транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения частоты генерации и стабильности работы устройства при изменении напряжения питания, эмиттеры транзисторов, включенных в диагонали мостов, подключены между сопротивлением и емкостью управляющих RC-цепочек двух плеч мостов, соединенных с источником питания, а цепи соединения коллекторов и баз транзисторов разного типа проводимости подключены к общей точке последовательно соединенных сопротивлений двух других плеч мостов, соединенных с источником питания.

tibirium › Блог › Самодельный импульсный блок питания с регулировкой напряжения и тока.

Такой тип источников питания ещё называют лабораторными, и не зря!Он подойдет не только для питания различных устройств, но и как универсальное зарядное устройство для абсолютно любых аккумуляторов.

Как мне кажется блок питания мега простой и отлично подойдет для начинающего радиолюбителя.Блок питания может быть построен на различные диапазоны напряжения и тока все зависит от конкретных задач.Сегодня мы рассмотрим блок питания на самый популярный диапазон 0-30 вольт/0-10 амер. Выбор такого диапазона также обусловлен применением китайского вольтамперметра с диапазоном по току до 10а.

Условно блок питания можно разделить на 3 части:

1 Внутренний источник питания.

Представляет из себя любой компактный источник напряжение 12 вольт и током не менее 300 мА.Предназначен для питания шим контроллера, вентилятора охлаждения и вольтамперметра.Можно использовать абсолютно любой адаптер на 12 вольт. Рассказывать как собрать такой в этой статье не буду, будем использовать готовый AC-DC преобразователь с китая вот такого типа:

2 Модуль управления.

Представляет из себя микросхему TL494 c небольшим драйвером на 4-х транзисторах:

Благодаря использованию встроенных операционных усилителей обвязка TL494 получается очень простая, такое включение широко распространено у радиолюбителей.Резистором R4 задаём желаемое максимальное напряжение, R2- ток.R11 и R12 для удобства могут быть многооборотные, но я использую обычные.
При использовании ЛУТ плату управления я как правило собираю на отдельной платке:

3 Силовая часть.
Основную часть компонентов можно использовать из старого компьютерного блока питания, главное чтобы он был соответствующей топологии.

Входной фильтр, выпрямитель, конденсаторы из компьютерного блока питания.
Начинающего радиолюбителя может испугать трансформатор управления силовыми ключами, его придётся изготовить самостоятельно.Но не спешите с выводами, уверяю вас сделать его очень просто.
Понадобится ферритовое колечко R16*10*4.5 и три отрезка по 1 метру провода МГТФ 0.07кв.мм. Просто наматываем на кольце 30 витков в 3 провода.

Все основные компоненты размещаются на пп стандартных размеров под корпус компьютерного блока питания:

Кстати после сборки платы управления и намотки трансформатора GDT их можно проверить даже если у вас нет осциллографа.

или термостаты KCD 9700.Иногда и то и другое сразу.

Лицевая панель нарисована в frontdesigner 3.0 и распечатана на самоклеящейся фотобумаге, затем заламинирована самоклеящаяся пленкой для учебников и книг(есть в любом офис маге).

Вот и корпус будущего бп уже практически готов:

Добавлю ещё версию модуля управления попроще и помощнее, но слегка по дороже

Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания

Analog Devices LT8304 LT8316

Обратноходовая топология – это универсальная, широко используемая конструкция импульсного источника питания с рядом интересных характеристик, во многих приложениях обеспечивающих высокий уровень параметров и экономию материалов

Обратноходовой преобразователь – это конструкция импульсного источника питания, которая используется более 70 лет и продолжает развиваться в наши дни. Такие источники питания, называемые также преобразователями энергии, имеют две различные рабочие фазы, в которых мощность со стороны входа передается на выход только тогда, когда коммутатор первичной стороны выключен, и его ток равен нулю или близок к нему. Перечень компонентов ядра обратноходовой конструкции довольно короток и недорог: входной конденсатор, MOSFET ключа первичной стороны, выпрямительный диод на выходе (на вторичной стороне) и выходной конденсатор. Кроме того, есть сам обратноходовой трансформатор; (конечно, как и в любом проекте, окончательная схема будет более сложной).

Конструкция обратноходового преобразователя была разработана в 1930-х и 1940-х годах и существенно усовершенствована в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В некотором смысле, она предшествовала нашей современной концепции нелинейных источников питания.

Первоначальным назначением обратноходового преобразователя было создание высокого напряжения, необходимого для питания кинескопа и других электровакуумных приборов, выполнявших функции «активной» электроники до появления транзисторов и микросхем. В результате усовершенствований, стимулируемых огромным объемом рынка телевизоров, преобразователь был оптимизирован для низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности. Обратноходовая конструкция и ее характеристики хорошо подходят для источников питания низкой и средней мощности в диапазоне от 100 до 250 Вт.

Основы обратноходовых преобразователей

В отличие от других конструкций, где трансформатор используется только для понижения или повышения напряжения, в обратноходовом преобразователе трансформатор дополнительно служит дросселем – магнитным устройством хранения энергии. Помимо основных обмоток (первичной и вторичной), этот трансформатор имеет дополнительные обмотки, критически важные для работы с обратной связью. Отношение числа витков обмоток трансформатора выполняет две роли: устанавливает уровень выходного напряжения относительно входного и обеспечивает гальваническую изоляцию. При использовании дополнительных обмоток обратноходовая конструкция может одновременно поддерживать несколько выходов.

В основном цикле обратного хода замыкание ключа первичной стороны увеличивает ток и магнитный поток в первичной обмотке трансформатора/ дросселя, поскольку к первичной стороне подключен источник питания (Рисунок 1). Напряжение в обмотке вторичной стороны отрицательно из-за встречной ориентации первичной и вторичной обмоток. Следовательно, диод смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока, а конденсатор вторичной стороны отдает ток в нагрузку во время рабочей фазы.

Рисунок 1. В первом цикле обратноходового преобразования ключ
первичнойстороны замкнут, что увеличивает ток первичной
стороны и магнитный поток трансформатора/дросселя.
(Источник: Википедия).

В следующей фазе цикла ключ разомкнут (Рисунок 2), поэтому ток первичной стороны спадает до нуля и магнитный поток прерывается. Теперь напряжение вторичной стороны становится положительным, диод открывается, и ток из вторичной обмотки трансформатора идет в конденсатор, пополняя его заряд.

Рисунок 2. Во втором цикле обратноходового преобразования ключ первичной
стороны разомкнут, и ток идет из вторичной обмотки трансформатора
в конденсатор. (Источник: Википедия).

В обратноходовой схеме выходной конденсатор аналогичен ведру, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но никогда не наполняется и опорожняется одновременно. Образующиеся в результате пульсации выходного напряжения должны фильтроваться конденсатором, заряд которого никогда не должен падать до нуля. Название «обратноходовой» происходит из-за резких прерываний циклов коммутации MOSFET, которые выглядят как внезапное изменение направления тока (Рисунок 3).

Читайте также  Тестирование строчной развертки при малом напряжении питания
Рисунок 3. Формы токов в основных узлах первичной и вторичной сторон обратноходовой
схемы показывают резкие смены направления и скачки. (Источник: Википедия).

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента заполнения импульсов, управляющих ключом первичной стороны. В некоторых конструкциях дополнительно регулируется частота переключения (более быстрое переключение позволяет точнее отслеживать разницу между желаемым и фактическим выходным напряжением). Эта обратная связь с требуемой изоляцией между входом и выходом реализуется либо, как показано на Рисунке 4а, с помощью специальной обмотки трансформатора (традиционный и исторически первый подход), либо с помощью оптоизолятора (Рисунок 4б).

Рисунок 4. В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка
индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной
обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной
связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной
стороны (б).

Режимы работы

Обратноходовые (и многие другие типы преобразователей) могут быть спроектированы для работы в одном из двух режимов. В режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM) трансформатор может полностью размагничиваться в каждом цикле коммутации. Обычно такая схема работает на фиксированной частоте переключения с модуляцией пикового тока в соответствии с требованиями нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM) ток всегда течет в трансформаторе в каждом цикле коммутации. Поэтому в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, поскольку каждый цикл переключения начинается раньше, чем ток успевает полностью прекратиться.

При DCM отсутствуют потери обратного восстановления в выходном выпрямителе, так как в каждом цикле коммутации его ток спадает до нуля. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико и позволяет уменьшить размеры трансформатора. Теоретически, конструкции DCM присуща более высокая устойчивость, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако в режиме прерывистой проводимости выходной ток имеет очень большие пульсации, что, соответственно, требует больших фильтров.

В отличие от DCM, CCM имеет небольшие пульсации и среднеквадратичные токи. Эти более низкие токи уменьшают потери проводимости и переключения, а меньшие пиковые токи позволяют использовать компоненты фильтров меньших размеров. Однако недостатком CCM является наличие нуля в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничит полосу пропускания контура регулирования и ухудшит его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности дросселя и, следовательно, магнитного компонента большего размера.

Усовершенствование обратноходового преобразователя

Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.

Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратноходовых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт (Рисунок 5), поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.

Рисунок 5. Законченный изолированный обратноходовой преобразователь напряжения 20…600 В
с выходной мощностью до 100 Вт.

Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратноходовую схему стало намного проще.

Заключение

При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами. Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LT8304
  2. Datasheet Analog Devices LT8316
  3. Datasheet Central Semiconductor CMMR1U-08

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник питания на двухбазовом диоде

Блок питания «Проще не бывает». Часть вторая

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Ага, все-таки зашел? Что, любопытство замучило? Но я очень рад. Нет, правда. Располагайся поудобнее, сейчас мы вместе произведем некоторые нехитрые расчеты, которые нужны, чтобы сварганить тот блок питания, который мы уже сделали в первой части статьи. Хотя надо сказать, что эти расчеты могут пригодиться и в более сложных схемах.

Итак, наш блок питания состоит из двух основных узлов — это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор, состоящий из всего остального. Как настоящие индейцы, начнем, пожалуй, с конца и рассчитаем сначала стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке.

Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:
1 — сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором R б
2 — эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль как бы усилителя или если угодно — умощителя.

Два основных параметра нашего блока питания — напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки. Назовем их:
Uвых — это напряжение
и
Imax — это ток.

Для блока питания, который мы отгрохали в прошлой части, Uвых = 14 Вольт, а Imax = 1 Ампер.

Сначала нам необходимо определить какое напряжение Uвх мы должны подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых.
Это напряжение определяется по формуле:

Откуда взялась цифра 3? Это падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 17 вольт.

Определим, какой нам нужен транзистор VT. Для этого нам надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Тут надо учесть один момент. Для расчета мы взяли максимальное выходное напряжение блока питания. Однако, в данном расчете, надо наоборот брать минимальное напряжение, которое выдает БП. А оно, в нашем случае, составляет 1,5 вольта. Если этого не сделать, то транзистор может накрыться медным тазом, поскольку максимальная мощность будет рассчитана неверно.
Смотри сам:

Если мы берем Uвых=14 вольтам, то получаем P max =1.3*(17-14)*1=3.9 Вт.
А если мы примем Uвых=1.5 вольта, то P max =1.3*(17-1.5)*1=20,15 Вт

То есть, если бы не учли этого, то получилось бы, что расчетная мощность в ПЯТЬ раз меньше реальной. Разумеется, транзистору это сильно не понравилось бы.

Ну вот, теперь лезем в справочник и выбираем себе транзистор.
Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax. Я выбрал КТ817 — вполне приличный транзистор.

Фу, ну вроде с этим справились. Пошли дальше.

Считаем сам стабилизатор.

Сначала определим максимальный ток базы свежевыбранного транзистора ( а ты как думал? в нашем жестоком мире потребляют все — даже базы транзисторов).

I б max =I max / h21 Э min

h21 Э min — это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника Если там указаны пределы этого параметра — что то типа 30…40, то берется самый маленький. Ну, у меня в справочнике написано только одно число — 25, с ним и будем считать, а что еще остается?

I б max =1/25=0.04 А (или 40 мА). Не мало.

Ну давайте будем теперь искать стабилитрон.
Искать его надо по двум параметрам — напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 14 вольтам, а ток — не менее 40 мА, то есть тому, что мы посчитали.
Полезли опять в справочник.

По напряжению нам страшно подходит стабилитрон Д814Д, к тому же он у меня был под рукой. Но вот ток стабилизации… 5 мА нам никак не годится. Чего делать будем? Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2. Сия операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h21Э раз. h21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Особо не думая, я взял из кучи железок КТ315. Его минимальный h21Э равен 30, то есть мы можем уменьшить ток до 40/30=1.33 мА, что нам вполне подходит.

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора R б .

R б =(Uвх-Uст)/(I б max +I ст min )

где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона,
Iст min — ток стабилизации стабилитрона.

R б = (17-14)/((1.33+5)/1000) = 470 Ом.

Теперь определим мощность этого резистора

P rб =(U вх -U ст )2/R б .

P rб =(17-14)2/470=0,02 Вт.

Собственно и все. Таким образом, из исходных данных — выходного напряжения и тока, мы получили все элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Однако не расслабляемся — нас еще ждет выпрямитель. Уж считать так считать, я так считаю (каламбур однако).

Читайте также  Система условных обозначений отечественных интегральных микросхем

Итак, смотрим на схему выпрямителя.

Ну, тут все проще и почти на пальцах. Учитывая то, что мы знаем, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор — 17 вольт, вычислим напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого пойдем, как и в начале — с хвоста. Итак, после конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 17 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста у нас должно получиться 17/1,41=12 вольт.
Теперь учтем, что на выпрямительном мосту мы теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть 12+2=14 вольт. Вполне может случится так, что такого трансформатора не найдется, не страшно — в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 13 до 16 вольт.

Едем дальше. Определим емкость конденсатора фильтра.

C ф =3200I н /U н K н

где Iн — максимальный ток нагрузки,
Uн — напряжение на нагрузке,
Kн — коэффициент пульсаций.

В нашем случае
Iн = 1 Ампер,
Uн=17 вольтам,
Kн=0,01.

C ф =3200*1/14*0,01=18823.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, мы можем уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Осталось выбрать выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого нам надо знать два основных параметра — максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод.

Необходимое максимальное обратное напряжение считается так

U обр max =2U н , то есть U обр max =2*17=34 Вольта.

А максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Ну а для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку.

Ну вот вроде бы и все про выпрямители и параметрические стабилизаторы.
Впереди у нас стабилизатор для самых ленивых — на интегральной микросхеме и стабилизатор для самых трудолюбивых — компенсационный стабилизатор.

Лабораторный практикум / 2-ая физическая лаборатория / Электричество / 55 — Исследование эквивалента двухбазового диода на транзисторах / 55 — Исследование ЭДД на транзисторах

Лабораторная работа ¹55

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭДД (ЭКВИВАЛЕНТА ДВУХБАЗОВОГО ДИОДА) НА ТРАНЗИСТОРАХ.

Основными материалами для изготовления транзисторов пока являются германий и кремний. Валентность этих элементов равна четырем. В кристалле каждый из атомов стремиться образовать парно-электронные связи с четырьмя другими атомами и структура этих кристаллов такова, что каждый атом имеет четыре ближайших соседей. Связь между ближайшими атомами ковалентная. В идеальном ковалентном кристалле, при достаточно низких температурах, все электроны прочно связаны и не могут принимать участие в проводимости. Естественно. Такой кристалл является изолятором.

Проводимость в кристалле возникает только в том случае, если часть валентных электронов свободна. Полупроводники тем и отличаются от настоящих изоляторов, что энергия валентных связей относительно невелика,

è тепловое движение уже при комнатной температуре способно разорвать некоторые связи. Освобождающиеся электроны, вследствие теплового движения, будут беспорядочно перемещаться в кристалле.

Если приложить электрическое поле, эти электроны будут дрейфовать в направлении приложенной силы и создавать электрический ток – возникает электронная проводимость. Однако существует и так называемая дырочная проводимость.

Дыркой называется свободная связь, образовавшаяся в результате отрыва электрона.

Эта свободная связь может быть вновь заполнена одним из валентных электронов соседних атомов, в результате чего данная дырка ликвидируется, но образуется новая дырка у соседнего атома. Получается, что дырка тоже может хаотически перемещаться по кристаллу. Если приложить электрическое поле, то движение дырки примет направленный характер и возникает электрический ток. Конечно, при дырочной проводимости также перемещаются электроны, только весь путь проходит не один свободный электрон, как это имеет место при электронной проводимости, а большое число электронов поочередно заменяют друг друга в связях.

Проводимость, осуществляемая за счет нарушения валентных связей основных атомов кристалла, называется собственной проводимостью. Собственная проводимость осуществляется равным количеством электронов и дырок, но роль электронов в проводимости несколько больше, ибо они двигаются быстрее дырок.

Одновременно с образованием электронов и дырок, в результате разрыва валентных связей, т.е. “генерацией носителей” существует и обратный процесс “рекомбинации носителей”, который, грубо говоря, состоит в том, что электроны сталкиваются с дырками, т.е. попадают на свободные места в валентной связи

è больше в проводимости не участвуют. Процессы генерации и рекомбинации

*) Студенты, хорошо знакомые с транзисторами, могут это введение опустить.

Лабораторная работа ¹55

обычно находятся в равновесии.

Если полупроводниковый кристалл содержит примеси, то его проводимость сильно увеличивается, а состав носителей тока меняется, в то время как в собственной проводимости участвует равное число свободных электронов и дырок, примесная проводимость, в зависимости от свойств примесей, осуществляется, в основном, либо электронами, либо дырками.

Полупроводник, проводимость которого, в основном. Обусловлена наличием свободных электронов, называется полупроводником n – типа (от negative), а полупроводник, проводимость которого вызывается движением дырок, называется полупроводником p – типа (от positive).

Тот или иной тип полупроводника определяется валентностью атомов примеси. Например, при добавлении сурьмы ее атомы замещают атомы германия или кремния в кристаллической решетке, и четыре из пяти валентных электронов образуют ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами, а пятый легко становится свободным. Индий имеет три валентных электрона. Введенный в кристаллическую решетку он образует три ковалентные связи, одно же место для валентного электрона остается пустым – образуется дырка. Конечно, эта дырка может уйти от примесного атома, но сам факт ее существования останется.

Очевидно, что интенсивность процессов рекомбинации пропорциональна произведению числа свободных электронов на число дырок. Поэтому, увеличение числа свободных электронов, при добавлении пятивалентной примеси, пропорционально уменьшает число дырок, а добавление трехвалентной примеси приводит к увеличению числа дырок и уменьшению числа свободных электронов также в одинаковое число раз. Таким образом, полупроводник любого типа содержит оба вида носителей, только в полупроводнике p – типа больше дырок (в этом случае дырки называются основными носителями, а свободные электроны – неосновными), а полупроводник n – типа больше свободных электронов. Здесь электроны называются основными носителями, а дырки – неосновные.

Первостепенную важность для работы диодов транзисторов имеет граница между полупроводниками разных типов – так называемый p-n переход. Способы изготовления кристаллов с p-n переходами могут быть различными. Сплавным методом это делается так: берется пластинка германия, например, n – типа и на нее помещается маленькая таблетка индия, пластинка нагревается, индий расплавляется и диффундирует в кристалл германия, потом пластинка охлаждается. Там, куда проникли атомы индия, образуется полупроводник p – типа. При этом число примесей в p – области, конечно больше, т.е. больше число неосновных носителей.

По законам диффузии дырки из p – области будут попадать в n – область, а свободные электроны, наоборот, из n – области в p – область. В результате p

– область получает отрицательный заряд, а n – область – положительный. Между полупроводниками разных типов возникает электрическое поле. Если

Лабораторная работа ¹55

ê кристаллу не приложено никаких внешних напряжений, то существует динамическое равновесие токов через p-n переход: ток неосновных носителей (возникшее в области p-n перехода электрическое поле не препятствует движению неосновных носителей) полностью компенсирует ток основных носителей. Первый ток невелик, так как неосновных носителей мало, второй ток также небольшой, ибо основным носителям приходится преодолевать тормозное электрическое поле, чтобы пересечь p-n переход. Область самого перехода обеднена носителями. Прибор, содержащий один p-n переход, получил название плоскостного диода (бывают точечные диоды, изготовляемые по другой технологии).

Если к диоду приложить внешнее напряжение, то эффект будет разным в зависимости от полярности прикладываемой ЭДС. Если присоединить “плюс”

ê n – области, “минус” к p – области (по существу все напряжение будет приложено к p-n переходу, ибо сопротивление самого полупроводника невелико), то тормозящее электрическое поле еще более увеличится, ток основных носителей полностью прекратится. Останется ток неосновных носителей. Этот ток называется обратным током диода. Если же к диоду приложить напряжение противоположной полярности (“плюсом” к p – области), то это напряжение уменьшит тормозящее электрическое поле в области p-n перехода и через диод пойдет большой ток основных носителей. Величина этого тока зависит от величины прикладываемой ЭДС и от площади p-n перехода. У маломощных диодов при напряжениях, не превышающих 1 вольта, ток достигает несколько десятков или сотен миллиампер. Мощные же диоды могут пропускать токи до 1000 А.

Плоскостные биполярные транзисторы представляют собой систему из двух p-n переходов, находящихся в одном кристалле и расположенных очень близко друг к другу. Бывают транзисторы двух типов p-n-p и n-p-n. В p-n-p транзисторах полупроводник в области между переходами имеет проводимость n – типа, а в n-p-n транзисторах – p – типа.

 дальнейшем мы будем рассматривать, в основном, p-n-p транзисторы. Поэтому там, где это специально не оговорено, имеется в виду именно p-n-p транзисторы. Сплавным методом транзисторы делаются так же, как и диоды, только таблетка примеси, например, индия, накладывается с двух сторон исходной пластинки. Образующиеся p – области делают неодинаковыми по размерам. Меньшую из них называют эмиттером, большую коллектором, среднюю же область – базой (рис. 1). Ко всем трем областям припаиваются выводы.

 усилительном режиме к переходу база-эмиттер прикладывают напряжение, уменьшающее тормозящее поле в области этого перехода, т.е. для p-n-p транзистора напряжение прикладывается минусом к базе, а для n-p-n транзистора

– плюсом к базе. К переходу база-коллектор прикладывается напряжение, запирающее переход, т.е. плюсом к базе для p-n-p транзистора. На рис.2а транзисторы изображены так, как они обычно рисуются на схемах, а на рис.