Безкоштовна технічна бібліотека ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Схемотехніка імпульсних блоків живлення. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Блоки живлення Імпульсні блоки живлення (ДБЖ) все частіше застосовуються в побутовій та промисловій апаратурі. Сучасна схемотехніка ДБЖ настільки розвинена, що за кількістю елементів прирівнюється до лінійних блоків живлення, а за багатьма параметрами перевищує показники лінійних БП. Експлуатація ДБЖ у мережах, де змінна напруга 220 В має (у режимі навантаження або перекосу фази) розкид параметрів від 160 до 280 В, дає величезну перевагу над лінійними БП. Крім цього, високий ККД дозволяє значно знизити споживання енергії від мережі (що важливо для незаможних сімей). Імпульсні блоки живлення поділяються на однотактні перетворювачі напруги (ОПН) та двотактні. У свою чергу, однотактні перетворювачі діляться на ПН із зворотним включенням діода (ОПНО) (зворотноходові) рис.1, а і з прямим включенням діода ОПНП (прямоходові) рис.1, б. Двотактні діляться на ПН з полумостовой схемою включення (рис.2, а) і з бруківкою схемою включення (рис.2, б). Відповідно до аналізу, проведеного в [1], область застосування ПН залежить від потужності навантаження (рис.3), при цьому схеми включення ПН різні. В імпортній побутовій апаратурі найчастіше можна зустріти схему зворотноходового ПН, оскільки вона має дуже малу кількість елементів. Але для нормальної роботи цієї схеми необхідні якісні елементи, які відсутні у широкому спектрі на ринку електронних компонентів України. Робота неякісних радіодеталей сильно впливає на багато показників ДБЖ. Розглянемо роботу однотактного перетворювача напруги із зворотним включенням діода. Їх часто називають зворотноходові через передачу енергії в навантаження в момент замикання ключа транзистора. На рис.4 показано спрощену схему сучасного зворотноходового ПН. Період t0 – t1. Як тільки подається напруга живлення +Еп через Rогр, RД1, RД2 протікає струм, при цьому С3 заряджається струмом через Rогр, Rд1, С3, перехід Б-Е транзистора VTk (рис.5,а). Транзистор VTk поступово відкривається t0 t1 (рис.5,б), виникає колекторний струм IKVT (рис.5,в), що протікає шляхом: +Еп, Rогр, w1, перехід Е-Б транзистора VTk - земля. На обмотці w2 наводиться ЕРС тієї ж полярності, що й напруга, прикладена до w1, згідно із законом самоіндукції (початок точки на обмотках). ЕРС самоіндукції плюсом прикладається через VD1, Rб до переходу Б-Е VTk, транзистор ще більше відмикається. Зауважимо, що в ланцюзі навантаження струм не протікає. Струм ланцюга колектора VТk росте до насичення транзистора, при цьому струм дроселя w1 зростає від нуля до ILmax, і поки струм колектора змінюється і зростає, відбувається намагнічування сердечника дроселя L. На рис.6 зображена петля гістерезису. Так як напруженість магнітного поля прямо пропорційна струму, що протікає в обмотці w1, Iw1 = Hl/w де Н - напруженість магнітного поля; l - Довжина шляху магнітної лінії; w - число витків, то напруженість магнітного поля в сердечнику дроселя буде поступово зростати від нуля до HIm (рис.6, крива 1). Період t1 – t2. У момент насичення транзистора VTk (зауважимо, що цей момент не збігається з моментом насичення сердечника через особливості побудови схеми) струм колектора транзистора VTk досягає максимального значення (задіяні всі основні носії n-р-n переходу) і не змінюється. У w1 струм дроселя також змінюється, отже, в w2 більше не наводиться ЕРС самоіндукції. При цьому VTk замикається. Серце дроселя L починає розмагнічуватися, енергія сердечника передається в навантаження, так як ЕРС самоіндукції змінює полярність на протилежну w3. При цьому з'являється струм w3 через VD2 і Rн, Сф. Оскільки ЕРС змінила символ, в w2 не протікає струм, і VTk остаточно закривається. С3 вже зарядився, і VTk не може відкритися. Струм розмагнічування Im поступово спадає t1 t2 (рис.5, г). Напруженість магнітного поля також поступово спадає з точки А точку Вr (рис.6, крива 2) . Конденсатор СФ2 швидко заряджається, а Rн протікає струм навантаження. Як тільки напруженість поля впала до нуля, струм у w3 припиняється, сердечник має залишкове значення індукції магнітного поля Br, тому сердечник до кінця не розмагнітився (для повного розмагнічування необхідно докласти коерцитивну силу, -Нс. У двотактних мостових або напівмостових схемах сердечник розмагнічується та перемагнічується протилежним плечем схеми Ця особливість дуже важлива при розрахунках дросселя, так як Bm (амплітудне значення індукції у формулах) буде на 60-80% менше (залежно від якості осердя) табличного значення. Період t2 – t3. Як тільки сердечник дроселя розмагнітився до залишкового значення Br, при цьому напруженість магнітного поля не змінюється і дорівнює нулю, струм w3 припиняє протікати, а ЕРС w2 змінює знак на протилежний, VTк починає відкриватися базовим струмом, в результаті струм колектора VTk збільшується, збільшуючи ЕРС на w2 за рахунок збільшення струму через w1. Транзистор VTk відкривається до насичення (рис.5,в), сердечник намагнічується (рис.6, крива 3), у точці А для HIm відповідатиме значення індукції BS. При розрахунках замість Bm використовують різницю B = Bs - Br, тобто. перетворювач працює по приватній петлі гістерези. Тому в однотактних перетворювачах напруги застосовують ферити з мінімальним Br і максимальним Bs (вузька петля гістерези). Подібна петля існує у високочастотних феритах, тому багато зарубіжних фірм створюють перетворювачі з частотою перетворення від 0,1 до 1 МГц. Робота перетворювача на такій частоті потребує застосування високоякісних ВЧ елементів (силових). Важливо відзначити, що тривалість відкритого стану VTk визначається амплітудою колекторного струму Іkmax, індуктивністю L та напругою джерела живлення Еп і не залежить від навантаження на виході. Тривалість закритого стану залежить від навантаження. Тому розрізняють три режими роботи ПН. 1-й режим переривчастих струмів Опір навантаження мало (майже КЗ і конденсатор СФ2 не встигати заряджатися, у своїй Rn спостерігатиметься пульсація напруги і струму. 2-й режим безперервних струмів На Сф накопичуватиметься достатньо енергії, щоб струм у навантаженні протікав без пульсацій, і напруга була постійною. 3-й режим лише для ОП АЛЕ - режим холостого ходу. Навантаження незначне або повністю відключене, тривалість закритого стану транзистора збільшується (через повільне спадання струму розмагнічування), але так як енергія, запасена в магнітному полі трансформатора, не змінюється, то напруга на вторинній обмотці, а отже, і навантаженні зростає до нескінченності . Цей режим є найнебезпечнішим, оскільки СФ2 може вибухнути від перенапруги. Тому в жодному разі не можна зворотноходові перетворювачі напруги використовувати як х.х. (Виняток становлять лазерні установки, фотоспалахи, медичні накопичувачі високої напруги). Сердечники дроселів зворотноходових ПН. Сердечники переважно виготовляють із феритів. Ферити являють собою спечену суміш окису тривалентного заліза з окислами одного або кількох двовалентних металів [2]. Феріти дуже тверді, крихкі і за механічними властивостями подібні до кераміки (в основному мають темно-сірий або чорний колір). Щільність феритів значно менша за щільність металевих магнітних матеріалів і становить 4,5-4,9 г/см3. Ферити добре шліфуються та поліруються абразивними матеріалами. Їх можна склеювати клеєм БФ-4 за загальновідомою технологією (зачистити шкіркою, знежирити бензином, нанести клей і дати трохи висохнути, міцно здавити пресом на кілька годин, але так, щоб не розколоти ферит). Феріти є напівпровідниками і мають електронну провідність. Їхній питомий опір (залежно від марки) в межах від 10 до 1010 Ом х див. Таблиця 1
Основні характеристики феромагнітних матеріалів наведено в табл.1:
Сучасні магнітом'які ферити можна розділити на кілька груп, що відрізняються електромагнітними параметрами та призначенням. У позначенні марки фериту цифри відповідають номінальному значенню початкової магнітної проникності, перша літера Н означає, що ферит низькочастотний, друга літера М марганець-цинковий ферит, Н - нікель-цинковий; Букви ВЧ вказують, що ферит призначений для роботи на високих частотах. Феріти марок 6000НМ, 4000НМ, 3000НМ, 2000НМ, 1500НМ, 1000НМ використовують на частотах до кількох сотень кГц як у слабких, так і сильних полях. У слабких полях ферити цієї групи застосовують у випадках, коли не висувають підвищених вимог до температурної стабільності. Феріти перших трьох марок рекомендується застосовувати в магнітопроводах замість листового пермалою товщиною 0,1-0,02 мм і менше. Феріти марок 2000НМ1, 1500НМI, 1500НМ2, 1500НМ3, 1000НМ3 та 700НМ призначені для використання у слабких та середніх полях при частотах до 3 МГц. Вони володіють малими втратами і малим ТК в широкому інтервалі температур. При підвищених вимогах до термостабільності µ у широкому інтервалі температур краще використовувати ферити трьох останніх марок. Ферити марок 2000НН, 1000НН, 600НН, 400НН, 200НН та 100НН застосовують у слабких полях у діапазоні частот до декількох МГц. Ферити трьох перших марок значно поступаються марганець-цинковим феритам з такими ж значеннями µ, проте вони дешевші, тому широко застосовуються в різній апаратурі при невисоких вимогах до стабільності та втрат. Інші ферити знаходять широке застосування в котушках контурів та магнітних антен. Феріти марок 150ВЧ, 100ВЧ, 50ВЧ2, 30ВЧ2 та 20ВЧ призначені для використання у слабких полях на частотах до 100 МГц. Вони відрізняються малими втратами та малим ТКµ у широкому інтервалі температур, тому найбільш широко застосовуються для високочастотних котушок індуктивності, а також для антен переносних радіоприймачів. Феріти марок 300НН, 200НН2, 150НHI, 90НН, 60НН, 55НН, 33НН і 10ВЧ1 відрізняються малими втратами в сильних полях. Їхнє основне призначення - для сердечників котушок контурів, що перебудовуються підмагнічуванням, та контурів магнітних модульаторів. У слабких полях tgδ і ТКµ цих феритів значно більше, ніж феритів групи ВЧ. Основні дані магнітом'яких феритів наведено в табл.2. Одиниці перерахунку для системи СІ: 1 Гс-10-4 Тл. Таблиця 2
Сердечники зворотноходових ПН виготовляють у вигляді П-подібних або Ш-подібних магнітопроводів (рис.7). Оскільки трансформатор виконує роль дроселя, то одну зі сторін сердечника підпилюють абразивним матеріалом (краще алмазним надфілем). Немагнітний зазор виконують у межах 0,1...0,3 мм, в зазор вставляють картон при складанні. Найчастіше габаритні показники Ш-подібних магнітопроводів наведені в табл.3 і на рис.8. Таблиця 3
Розрахунок дроселів зворотноходових ПН Серце дроселя повинен запасти необхідну пікову енергію в невеликому зазорі без входження в насичення і мати прийнятні втрати в магнітопроводі. Крім того, він повинен вміщати потрібну кількість витків, що забезпечує прийнятні втрати в обмотках. Скористайтеся відомою формулою [3]: Pгаб = IkUk = 4fwkBmSc10-4Ik; (1) Uk = 4fwkBmSc10-4, (1a) де Ргаб – габаритна потужність трансформатора, Вт; Ik – середній струм колектора, А; Uk - напруга, що прикладається до первинної обмотки дроселя,; f – частота перетворення, Гц; Bm – індукція магнітного поля, Тл (для однотактних ПН Вm = Bs – Br становить приблизно 0,7 від табличного значення); Sc - площа перерізу стрижня магнітопроводу, см2; wk – кількість витків первинної обмотки. З (1) випливає, що кількість витків первинної обмотки можна знайти так: w1 = 0,25Uk104/ (f BmSc). (2) Індуктивність дроселя: L = µ0 µr (w1)2 Sc/l, (3) де L – індуктивність, Гн; µ0 = 4π10-7 - Абсолютна магнітна проникність; µr - відносна магнітна проникність; Sc - площа поперечного перерізу магнітопроводу, м2; l – довжина шляху магнітної лінії, м. Для грубої оцінки необхідного перерізу сердечника можна скористатися виразом: Sc = (10...20) (Pн/f)1/2(4) де Pн – потужність навантаження, Вт; Sc – площа поперечного перерізу сердечника, см2; f – частота перетворення, Гц. Скориставшись формулами (2) та (4), а також аналізуючи дані табл.2, знаходимо габаритні показники сердечника та кількість витків первинної обмотки. Для вторинної та інших обмоток wн = w1 Uk/Uн, де Uн - напруга на навантаженні. Для обмотки збудження w2 (див. рис.4) рекомендується напруга приблизно 5 В. Діаметр дротів d = 1,13 (I/j)1/2(5) де d – діаметр дроту, мм; I – середній струм в обмотці, А; j - щільність струму в обмотці (рекомендується 2,5...5 А/мм2), причому для внутрішньої обмотки щільність струму має бути найменшою. Для перевірки обчислень розрахуємо площу, яку займає кожна обмотка, і підсумовуємо, при цьому має виконуватися нерівність: Soк = w1d1 + w2d2 + w3d3 + ... + wndn + hz, (6) де Sок - табличне значення площі вікна, см2; wn кількість витків в обмотці n; dn - діаметр дроту в обмотці n; hz - сумарна товщина каркасу та міжобмотувальної ізоляції. Каркаси, на які намотують обмотки трансформаторів, пресують із пластмас, склеюють з електрокартону або збирають із окремих деталей, виготовлених із розшарованого текстоліту, пресшпану або електрокатрона, при невеликих габаритах використовують будь-який картон. Стандартне виготовлення каркасу з картону докладно описано в [4], для трансформаторів невеликої потужності автор пропонує другий спосіб виготовлення трансформатора. Він складається із трьох заготовок. Гільзу виготовляють з картону (рис.9,б), злегка надрізають лінії 9 заготовки, після чого її згортають у паралелепіпед і краю 1 склеюють по контуру 2 цигарковим папером. Заготівлю (рис.9, а) роблять у кількості 2 шт. При цьому вирізують серцевину 1 і пробивають акуратно заточеною по краях голкою від шприца отвори D0,3 мм, після чого їх нумерують (на верхній половині каркаса як Н1, Н2, Н3, ..., а на нижній - як К1, К2, К3 , ...). Верхню та нижню половини каркаса склеюють з гільзою цигарковим папером і залишають конструкцію під важким предметом на кілька годин. Намотування обмоток на каркас ведеться аналогічно [4] в наступному порядку Wпр, W1, Wнагр (для експериментальних варіантів Wпр може бути останньою). збірка Феритові стрижні вставляють у каркас із намотаними обмотками. Попередньо до одного із сердечників приклеюють картонний квадрат товщиною 0,2 мм для заповнення зазору. Після збирання збоку сердечника з мідної фольги роблять бандаж навколо сердечника, натягують та спаюють. Особливості роботи ключового транзистора Оскільки навантаженням колектора транзистора VTк є дросель з індуктивністю L, то момент замикання VTк з його колекторі виникає викид напруги (рис.10, а, крива 1). Спад струму колектора відбувається не відразу, а за час розсмоктування неосновних носіїв колектор-емітерного переходу (рис.10 б). Напруга на колекторі змінюється за синусоїдальним законом через наявність індуктивності L та ємності колекторно-емітерного переходу. В результаті VTк гасить велику кількість енергії на К-Е переході, яка перетворюється на тепло. Тому VTк може перегрітися і вийти з ладу. Для запобігання цьому ефекту створюється тимчасова затримка t3 фронту збільшення колекторної напруги (крива 2) щодо початку спаду tсп колекторного струму (рис.10,а) за допомогою RCD-ланцюжка (рис.11). При замиканні VTк струм, що протікає через індуктивність розсіювання дроселя, заряджає демпфуючий конденсатор Сдф через VDдф. Після відмикання VTк Сдф розряджається через Rр та К-Е VTк. Цим ланцюгом можна досягти скільки завгодно малих значень миттєвої потужності, що розсіюється колекторним переходом [1]. Однак прагнення до зниження цієї потужності призводить до збільшення енергії, накопиченої в СДФ, вона є паразитною, що відбирається від корисної потужності. При використанні великих потужностей навантаження для нормальної роботи перетворювача необхідно здійснювати спеціальні режими включення транзистора. Розглянемо два перехідні процеси. Перехідний процес включення n-р-n транзистора з ОЕколи на вхід його заданий стрибок позитивного струму бази (рис.12) [5]. На початковому етапі включення струм колектора малий, у своїй малі значення b, а диференціальний вхідний опір транзистора велике. Тому можна вважати, що струм бази йде на заряд вхідної ємності емітера, і при цьому напруга на емітері змінюється від нуля до деякого значення Uео, що відповідає включеного стану транзистора. Для кремнієвих транзисторів Uэо = 0,7 У. Перший етап включення має час затримки t3 (рис.13,б). На наступному етапі – наростання струму колектора – струм бази йде на накопичення заряду носіїв у базі. За наявності ланцюга колектора резистора Rк протягом перехідного процесу напруга на колекторному переході змінюється, бар'єрна ємність Ск перезаряджається, що підвищує тривалість перехідного процесу (рис.13,в) tнр. Працюючи транзистора в ключовому режимі на вхід його подається отпирающий струм бази, більший струму насичення транзистора Iбн = Iкн/β. Цьому струму відповідає граничний заряд електронів у основі Qгрн = Iбн τ. Процес вимкнення транзистора імпульсом негативного струму бази Iб = - Iб2. У час t2 (рис.13,а) базовий струм стрибком зменшується значення ∆Iб = Iб1+ Iб2. Надмірний заряд дірок у базі зменшується з двох причин: через рекомбінацію дірок з електронами та виведення дірок з бази через базовий електрод у зовнішній ланцюг. Подібним чином зменшується надлишковий заряд неосновних носіїв - електронів, чисельно рівний через електронейтральність заряду дірок. Зміна струму колектора починається через деякий час tрас (час розсмоктування надлишкового заряду в базі). Час розсмоктування збільшується зі зростанням відпираючого струму бази Iб1 і зменшується зі збільшенням замикаючого струму бази Iб2. Після етапу розсмоктування слідує етап формування негативного фронту струму колектора, тривалість якого називається часом спаду tсп струму колектора і зменшується також зі збільшенням Iб2. Проте слід пам'ятати, що навіть за форсованому включенні tнр і виключенні tсп мають фізичну межу, тобто. ці часи не можуть бути меншими за час прольоту електронів через базу. література:
Автор: А.В.Кравченко Дивіться інші статті розділу Блоки живлення. Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті. Останні новини науки та техніки, новинки електроніки: Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
Інші цікаві новини: ▪ Температура тіла впливає тривалість життя ▪ Внутрішнє ядро Землі рухається у різні боки ▪ Графічна карта AMD FirePro W4300 Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки
Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки: ▪ Розділ сайту Ваші історії. Добірка статей ▪ стаття НП районного масштабу. Крилатий вислів ▪ стаття Що таке гіпс? Детальна відповідь ▪ стаття Глід гладкий. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Автомобіль. Акумулятори, зарядні пристрої. Довідник ▪ стаття Дзеркала-дразнилки. Фізичний експеримент
Залишіть свій коментар до цієї статті: Коментарі до статті: Олег Стаття найшикарніша! Таких докладних пояснень я ще не зустрічав. Шукатиму схожі статті про інші види ІІП. All languages of this page Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт www.diagram.com.ua |