Імпульсні перетворювачі напруги push-pull (генератори роера)

Імпульсні перетворювачі напруги з накопичувальним дроселем

На виході таких схем завжди буде або постійне або пульсуюча напруга.
Змінна напруга на їх виході не отримати.

Загальна схема підвищує імпульсного перетворювача з накопичувальним дроселем

Сигнал, який необхідно подавати в точку А1 по відношенню до загального проведення:

Загальна схема понижуючого імпульсного перетворювача з накопичувальним дроселем

Сигнал який необхідно подавати в точку Б1 по відношенню до витоку транзистора:

Як працюють імпульсні перетворювачі з накопичувальним дроселем?

Розглянемо на прикладі підвищуючого перетворювача.
Накопичувальний дросель L1 підключений так, що при відкриванні транзистора T1 через них починає протікати струм від джерела "+ ПІТ", при цьому струм зростає в дроселі не миттєво, так як енергія запасається в магнітному полі дроселя.
Після того як транзистор T1 закривається, запасеної в дроселі енергії необхідно вивільниться, це випливає з фізики явищ, що відбуваються в дроселі, відповідно єдиний шлях цієї енергії пролягає через джерело + ПІТ, діод VD1 і навантаження підключену до виходу.
При цьому максимальна напруга на виході залежить тільки від одного - опору навантаження.
Якщо у нас ідеальний дросель і якщо навантаження відсутнє, то напруга на виході буде нескінченно великою, проте ми маємо справу з далеким від ідеалу дроселем, з цього без навантаження напруга просто буде дуже великим, можливо настільки великим що трапитися пробою повітря або діелектрика між клемою ВИХІД і загальним проводом, але швидше за пробою транзистора.

Якщо дросель бажає вивільняє всю енергію яку накопичив (за вирахуванням втрат), то як же регулювати напругу на виході таких перетворювачів?
Дуже просто - запасати в дроселі рівно стільки енергії, скільки необхідно, що б створити потрібне напруження на відомому опорі навантаження.
Регулювання запасеної енергії виробляється тривалістю імпульсів відкривають транзистор (часом протягом якого відкритий транзистор).

У зменшуючому перетворювачі в дроселі відбуваються точно ті ж процеси, проте в цьому випадку при відкриванні транзистора дросель не дає напрузі на виході збільшитися миттєво, а після його закривання, вивільняючи запасені енергію з одного боку через діод VD1 а з іншого через навантаження підключену до виходу підтримує напруга на клеми ВИХІД.
Напруга на виході такого перетворювача не може виявитися більше ніж напруга + ПІТ.

Імпульсні перетворювачі напруги з трансформаторами

Саме перетворення відбувається в трансформаторі, при цьому не важливо на залозі він - для низьких частот; або на фериті - для високих від 1кГц до 500 і вище кГц.
Суть процесів завжди однакова: якщо в першій обмотці трансформатора 10 витків, а в другій 20 і ми докладемо змінну напругу 10 вольт до першої, то в другій ми отримаємо змінну напругу тієї ж частоти але 20 вольт і відповідно з 2 рази меншим струмом ніж тече в першій обмотці.

Тобто завдання зводиться до отримання змінної напруги, яке необхідно прикласти до первинної обмотці, від джерела постійного струму живлячої перетворювач.

Пуш-пул (push-pull) (генератор Роера)

Сигнали на входах по відношенню до загального проведення:

Працює наступним чином:
коли транзистор T1 відкритий, струм тече через верхню половину обмотки - L1.1, потім транзистор T1 закривається і відкривається транзистор T2, ток починає протікати через нижню половину обмотки - L1.2, так як верхня половина обмотки L1 включена своїм кінцем до + ПІТ а нижня початком, то магнітне поле в осерді трансформатора при відкритті T1 тече в одну сторону, а при відкритті T2 в іншу, відповідно на вторинній обмотці L2 створюється змінна напруга.
L1.1 і L1.1 виконуються якомога більше ідентичними один одному.
переваги:
Висока ефективність при роботі від низької напруги харчування (через кожну половину обмотки і транзистор протікає тільки половина необхідного струму).
недоліки:
Викиди напруги на стоках транзисторів рівні подвоєному напрузі живлення (наприклад коли T1 відкритий, а T2 закритий, то струм тече в L1.1 в свою чергу в L1.2 магнітне поле створює напругу дорівнює напрузі на L1.1 яке підсумовуючись з напругою джерела живлення впливає на закритий T2).
Тобто необхідно вибирати транзистори на більшу припустиме максимальне напруження.
застосування:
Перетворювачі, що живляться від низької напруги (близько 12 вольт).

Сигнали на входах по відношенню до загального проведення:

Працює наступним чином:
коли транзистор T1 відкритий, струм тече через первинну обмотку трансформатора (L1) заряджаючи конденсатор C2, потім він закривається і відкривається T2, відповідно тепер ток тече через L1 в зворотному напрямку, розряджаючи C2 і заряджаючи C1.
недоліки:
Напруга підводиться до первинної обмотці трансформатора в два рази нижче напруги + ПІТ.
переваги:
Відсутність викидів подвоєного напруги властивих пуш-пулу.
застосування:
Перетворювачі, що живляться від побутової освітлювальної мережі, мережеві блоки живлення (наприклад: блоки живлення комп'ютерів).

Сигнали на входах по відношенню до загального проведення:

Працює наступним чином:
коли транзистори T1 і T4 відкриті, ток тече через первинну обмотку трансформатора в одному напрямку, потім вони закриваються і відкриваються T2 і T3 струм через первинну обмотку починає текти в зворотному напрямку.
недоліки:
Необхідність установки чотирьох потужних транзисторів.
Подвоєне падіння напруги на транзисторах (падіння напруги на суміжних T1 T4 / T2 T3 транзисторах складаються).
переваги:
Повна напруга живлення на первинній обмотці.
Відсутність викидів подвоєного напруги властивих пуш-пулу.

Потужні перетворювачі, що живляться від побутової освітлювальної мережі, мережеві блоки живлення (наприклад: імпульсні зварювальні "трансформатори").

Спільними проблемами для перетворювачів на трансформаторах є ті ж проблеми що і перетворювачів на базі накопичувальних дроселів: насичення сердечника; опір дроти з якого виконані обмотки; робота транзисторів в лінійному режимі.

Обратноходового і прямоходового імпульсні перетворювачі

Обратноходового і прямоходовой імпульсний перетворювач напруги - це "гібриди" перетворювача на базі накопичувального дроселя і трансформатора, хоча в суті своїй це перетворювач на базі накопичувального дроселя і про це ніколи не варто забувати.
Принцип роботи такого перетворювача схожий з підвищує перетворювачем на накопичувальному дроселі, з тією лише різницею, що навантаження внесена не безпосередньо до дроселя, а до ще однієї обмотці, намотаною на сам дросель.
Як і в підвищує перетворювачі, в разі включення його без навантаження, його вихідна напруга буде прагнути до максимуму.
недоліки:
Викиди напруги на ключовому транзисторі створюють необхідність застосування ключових транзисторів на напругу значно перевищує + ПІТ.
Висока напруга на виході у відсутності навантаження.
переваги:
Гальванічна розв'язка ланцюга харчування і ланцюги навантаження.
Відсутність втрат пов'язаних з перемагнічуванням сердечника (магнітне поле тече в осерді завжди в одну сторону).

Явища, про які необхідно пам'ятати при конструюванні
перетворювачів напруги (і імпульсних пристроїв взагалі)

Насичення сердечника (магнітопровода) - момент коли магнітопроводящій матеріал сердечника дроселя або трансформатора вже настільки намагнічений, що більш вже не впливає на процеси, що протікають в дроселі або трансформаторі. При насиченні сердечника індуктивність обмоток розташованих на ньому стрімко падає, а струм через первинні обмотки починає збільшуватися, при цьому максимальний струм обмежений тільки опором дроту обмотки, а воно вибирається якомога меншим, відповідно насичення як мінімум призводить до нагрівання і обмоток дроселя і силового транзистора, як максимум до руйнування силового транзистора.

Опір проводів обмоток - вносить в процес втрати, так як перешкоджає запасання і вивільненню енергії в магнітному полі, викликає нагрівання проводу обмотки дроселя.
Рішення: використання дроти з мінімальним опором (товщий дріт, провід з матеріалів які мають малим питомим опором).

Робота силових транзисторів в лінійному режимі - в разі якщо генератор сигналів використовується для управління транзисторами видає НЕ прямокутні імпульси, а імпульси з повільним наростанням і спадом напруги, що може бути якщо ємність затвора силових транзисторів велика, а драйвер (спеціальний підсилювач) не здатний видавати значний ток для зарядки цієї ємності, з'являються моменти, коли транзистор знаходиться в лінійному режимі, тобто має деякий опором відмінним від нуля і нескінченно великого, в зв'язку з чим через НЕ го тече струм і на ньому виділяється тепло погіршуючи ККД перетворювача.

Специфічні проблеми перетворювачів напруги з використанням трансформаторів

Втім, ці проблеми притаманні будь-яких пристроїв з потужним двотактним вихідним каскадом.

Явище наскрізного струму

Розглянемо на прикладі схеми напівмоста - якщо з якоїсь причини транзистор T2 відкриється раніше ніж повністю встиг закритися T1, то виникне наскрізний струм від + ПІТ на загальний провід, які буде протікати через обидва транзистора приводячи до марної виділенню тепла на них.
Рішення: створення затримки між тим як знизився до нуля потенціал на вході Г1 (див. Схему напівмоста) і зріс потенціал на вході Г2.
Таке час затримки називають дедтайм (dead time) і графічно це можна проілюструвати осцилограмою:

ефект Міллера

Знову ж, розглянемо на прикладі напівмоста - коли транзистор T1 відкривається, то до транзистора T2 прикладається напруга, яке швидко зростає (зі швидкістю відкривання T1), так як це напруга велике, то навіть незначна внутрішня ємність між затвором і витоком заряджаючись створює значний потенціал на затворі, який відкриває T2, нехай і на короткий час, але створюючи наскрізний струм, навіть при наявності дедтайма.
Рішення: застосування потужних драйверів транзисторів, здатних не тільки віддавати, а й приймати великі струми.

Про що не варто забувати?

Понижуючий перетворювач з накопичувальним дроселем, напівміст і міст - схеми, які не такі прості, як здаються на перший погляд, перш за все тому, що витік транзистора в зменшуючому перетворювачі і витоки верхніх за схемою транзисторів в мосту і півмилі знаходяться під напругою живлення.
Як ми знаємо, керуюча напруга на затвор транзистора потрібно подавати щодо його витоку, для біполярних на базу щодо до емітера.
рішення:
Використання гальванічно розв'язаних джерел живлення ланцюгів затворів (баз):

Генератор G1 виробляє протифазні сигнали і формує дедтайм, U1 і U2 драйвери польових транзисторів, оптрон гальванически розв'язує вхідний ланцюг верхнього драйвера з виходом генератора, який живиться від іншої обмотки трансформатора.

Застосування імпульсного трансформатора для гальванічної розв'язки ланцюгів затворів (баз):

Гальванічна розв'язка забезпечується за рахунок введення ще одного імпульсного трансформатора: GDT.

Є і ще один метод - "бустреп", але і він вам навряд чи сподобається, для отримання подробиць дивіться документацію до мікросхемі IR2153, зокрема метод отримання напруги живлення для управління верхнім за схемами ключовим транзистором.

Проектуючи перетворювач, необхідно враховувати, що це імпульсний пристрій по провідникам якого течуть значні струми, які різко змінюються і цей пристрій в якому створюються сильні магнітні поля - все це створює сприятливий грунт для виникнення цілої серії перешкод в широкому спектрі.
При розведенні друкованих плат слід прагнути зробити все силові провідники ланцюга максимально короткими і прямими, електролітичні конденсатори шунтировать плівковими або керамічними на ємність 0,1. 1мкф в безпосередній близькості від силових елементів, для запобігання просочування високочастотних перешкод в освітлювальну мережу, якщо пристрій живиться від мережі, встановлювати по ланцюгу підводки напруги LC фільтри нижніх частот.

Незважаючи на безліч непростих моментів, імпульсні перетворювачі напруги застосовуються широко, а працюють на високій частоті (десятки-сотні кілогерц) мають ряд переваг, так:
Високий ККД, аж до 97%;
Мала маса;
Малі габарити.

Приклади конкретних схем

Схема генератора Роера на польових транзисторах IRF540 і керуючої КМОП мікросхемі CD4047

Схема автогенератора Роера на польових транзисторах IRF540

Схема генератора Роера на польових транзисторах IRF540 і керуючої мікросхемі TL494

Чи знаєте Ви, що, коли деякі дослідники, які намагаються примирити релятивізм і ефірну фізику, кажуть, наприклад, про те, що космос складається на 70% з "фізичного вакууму", а на 30% - з речовини і поля, то вони впадають в фундаментальне логічне протиріччя. Це протиріччя полягає в наступному.

НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру