Анализ технического задания

Большинство потребителей требуют стабилизации уровня питающего постоянного напряжения, либо его изменения в определенном диапазоне по заданному закону. В тоже время напряжение любого источника питания является нестабильным. Например, выходное напряжение выпрямителя зависит от изменения входного переменного сетевого напряжения, напряжение солнечной батареи — от освещенности, аккумуляторной батареи — от степени разряда и т. д. Кроме того, напряжение всех источников зависит от величины потребляемого тока, что особенно характерно для устройств соизмеримой мощности. Поэтому для согласования параметров источников электроэнергии с требованиями потребителей необходимо преобразовывать постоянное напряжение.

Наиболее простым методом преобразования (или регулирования) постоянного напряжения является непрерывный, который реализуется за счет включения в последовательную цепь с нагрузкой балластного сопротивления. Такой метод применяется в непрерывных стабилизаторах.

Недостаток метода заключается в принципиально низком значении к. п. д .

В результате непрерывные стабилизаторы обычно используются лишь при мощностях порядка единиц ватт. Кроме того, непрерывный метод позволяет только уменьшить выходное напряжение относительно входного. Для получения высоких значений к. п. д. разработаны импульсные методы преобразования, реализуемые за счет периодического подключения и отключения нагрузки к источнику питания. Причем, применение в схемах импульсных преобразователей реактивных элементов — дросселей и конденсаторов позволяет регулировать выходное напряжение как ниже, так и выше входного. Импульсные преобразователи, регулирующие выходное напряжение лишь за счет такого периодического переключения, получили название непосредственных, или однократных.

Исходя из заданных условий (напряжения и тока нагрузки) использование непрерывных стабилизаторов крайне нежелательно из-за высоких мощностей, которые должен будет рассеивать управляющий элемент и низкого кпд.

Описание и принцип работы схемы

На рисунке 1.1 показана базовая схема обратноходового преобразователя.

Рисунок 1.1 — Схема обратноходового преобразователя.

Обратноходовая схема очень похожа на прямоходовую, с той лишь разницей, что «начала» и «концы» вторичных обмоток трансформатора включены с обратной фазировкой, как показано на рисунке 1.1. В этом случае фазы работы преобразователя называются по-другому: фаза накопления энергии и фаза передачи энергии в нагрузку. Эти фазы разделены во времени, поэтому, по большому счету, трансформатор ТV1 нельзя называть трансформатором. Это, скорее, двухобмоточный дроссель, который накапливает энергию с помощью одной обмотки, а передает ее в нагрузку с помощью другой. Но, поскольку при этом осуществляется преобразование энергии, по устоявшейся терминологии все же называют элемент ТV1 накопительным трансформатором.

В фазе накопления энергии транзистор VТ1 открыт, в первичной обмотке ТV1 течет ток i1, трансформатор накапливает энергию. Закон накопления энергии математически записывается исходя из известного соотношения:

где L1 — индуктивность первичной обмотки.

Видно, что в этой фазе ток первичной обмотки линейно нарастает.

Фаза передачи энергии в нагрузку наступает при закрытии транзистора VT1. В этот момент полярность на выводах трансформатора ТV1, благодаря явлению самоиндукции, меняется на противоположную. Открывается диод VD2, ток i2 заряжает конденсатор фильтра C2. Закон спада тока вторичной обмотки математически очень похож на закон нарастания тока первичной обмотки:

где L2 — индуктивность вторичной обмотки.

Видно, что в процессе работы конвертора токи трансформатора нарастают и спадают линейно. Чтобы обеспечить требуемые значения тока и напряжения на нагрузке, необходимо связать процессы, происходящие в первичной цепи, с реакцией на них вторичной цепи. Вначале рассмотрим процессы во вторичной цепи, поскольку, в конечном итоге, нас интересуют напряжение и ток нагрузки. При достаточно большой величине выходной емкости C2, обеспечивающей качественную фильтрацию постоянной составляющей:

где г — коэффициент заполнения.

Чтобы связать токи i1 и i2 давайте предположим, что вся энергия, накопленная в первой фазе, переходит в нагрузку во второй фазе.

Математически это значит, что:

Поскольку конструктивные параметры трансформатора не меняются, мы можем записать:

Если ввести понятие коэффициента трансформации:

то с учетом предыдущих формул ток нагрузки:

Проанализировав эту очень важную формулу видно, что при неизменном сопротивлении нагрузки, постоянном питающем напряжении, а также частоте преобразования и индуктивности первичной обмотки, постоянстве коэффициента трансформации, максимум напряжения на нагрузке получаем при коэффициенте заполнения г = 0,5. Практически это означает, что, задав коэффициент заполнения г либо близким к нулю, либо близким к единице, мы, так или иначе, получим близкое к нулю напряжение на нагрузке. На первый взгляд, нет никакой разницы, если регулирование напряжения будет осуществляться изменением коэффициента заполнения на интервале [0…0,5] или [0,5…1,0]. Однако практически для силовой части преобразователя более предпочтителен первый режим.

Регулировочная характеристика преобразователя математически записывается так: