Однотактные источники питания.

Однотактные источники питания.

 Однотактные источники питания являются наиболее часто применяемыми на современном этапе развития электроники и это не просто слова - это реальность. Область применения этих устройств необычайно широка: мониторы, телевизоры, принтеры лазерные, струйные и матричные, копировальные аппараты, видеомагнитофоны и факсы и т.д., и т.п. Достаточно часто однотактные источники используются в качестве источников питания для системных блоков ПК, потеснив в этом сегменте двухтактные источники. Одним словом, если ты можешь решить проблемы, связанные с однотактным источником питания, то ты можешь считать себя специалистом самого широкого профиля, поэтому тему работы, принципов построения и функционирования подобных устройств мы никак не могли обойти.

Рассмотрим работу обобщенной схемы однотактного импульсного блока питания, приведенной на рис.1.

Рис. 1.

Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости, являющимся фильтром выпрямленного напряжения. В результате на выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение номиналом около +300 В. Это напряжение подается на схему пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу же после включения блока питания. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой несколько десятков кГц. Эти импульсы управляют состоянием мощного высокочастотного ключевого транзистора, то есть открывают и закрывают его. Нагрузкой этого транзистора является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора. В результате переключения транзисторного ключа, в первичной и во всех вторичных обмотках трансформатора наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются однополупериодными выпрямителями (вторичные выпрямители). Когда силовой транзистор открыт, выходное напряжение сетевого выпрямителя прикладывается к первичной обмотке трансформатора и через нее протекает ток, нарастающий по экспоненциальному закону (причем на начальном этапе экспоненты нарастание тока идет практически по линейному закону). В это время в трансформаторе происходит накопление магнитной энергии. Когда же транзистор закрыт, ток через первичную обмотку не протекает, а течет во вторичной обмотке, т.е. накопленная магнитная энергия передается в нагрузку.

Для защиты ключевого транзистора в состав источника питания обычно вводится схема токовой защиты, которая должна закрыть транзистор в том случае, если ток через него превысит допустимое значение.

В рабочем режиме схема управления потребляет значительный ток, который не может быть обеспечен схемой запуска. Поэтому питающее напряжение в этом случае формируется специальной цепью питания в рабочем режиме. Это напряжение создается за счет выпрямления импульсов ЭДС, создаваемых в одной из вторичных обмоток импульсного трансформатора.

Стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сигнал обратной связи, по которому осуществляется стабилизация, обычно снимается с канала одного из выходных напряжений. Сигнал обратной связи подается на схему управления через элемент гальванической развязки.

Количество вторичных выпрямителей и количество выходных каналов источника питания определяется разработчиком устройства. Обычно каждому выходному напряжению соответствует своя вторичная обмотка и вторичный выпрямитель.

Особенностями однотактного преобразователя можно считать использование одного ключевого транзистора и протекание тока через первичную обмотку импульсного трансформатора только в одном направлении.

Однотактный преобразователь может быть выполнен по одной из двух схем:
- прямоходовой преобразователь;
- обратноходовой преобразователь.
Тип преобразователя можно определить, проанализировав полярность подключения выпрямительных диодов к вторичным обмоткам импульсного трансформатора, направление намотки вторичных обмоток и конструктивными особенностями импульсного трансформатора.

Однотактный прямоходовой преобразователь.

В прямоходовых преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей вторичных выпрямителей (ток через диоды выпрямителей) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в обратноходовых - во время закрытого состояния. Возможные принципиальные схемы прямоходовых преобразователей приводятся на рис.2 и рис.3.

Рис. 2

Рис. 3

Энергия в цепь нагрузки передается через диод D1 во время открытого состояния транзистора Q1. Одновременно в сердечнике дросселя L1 накапливается магнитная энергия (токи через дроссель и первичную обмотку трансформатора W1 на этом этапе линейно нарастают), которая затем во время закрытого состояния Q1 выдается в нагрузку через диод D2. При этом магнитная энергия дросселя линейно уменьшается. Магнитная энергия, накопленная в сердечнике трансформатора Т1 за время открытого состояния Q1, снова возвращается в источник во время закрытого состояния Q1. Этот возврат (рекуперация) осуществляется с помощью обмотки размагничивания Wр и диода D3. В противном случае сердечник трансформатора оказался бы в состоянии насыщения, что при следующем открывании транзистора Q1 привело бы к выводу его из строя чрезмерно большим током в обмотке W1, индуктивность которой была бы очень мала. Таким образом, в прямоходовом преобразователе трансформатор служит только для трансформации энергии. Исходя из этого принципа, трансформатор должен выполняться таким, чтобы запасаемая в его сердечнике магнитная энергия за время открытого состояния транзистора, была бы минимальной. Идеализированные эпюры токов и напряжений для прямоходового преобразователя приводятся на рис.4.

Рис. 4

Однотактный обратноходовой преобразователь.

 Принципиальная схема обратноходового преобразователя приводится на рис.5.
Трансформатор Т1 во время открытого состояния транзистора Q1 запасает магнитную энергию, так как через первичную обмотку и открытый Q1 протекает нарастающий во времени ток. Во время закрытого состояния транзистора Q1 трансформатор Т1 отдает накопленную энергию через диод D1 и конденсатор С1 в нагрузку. Во время открытого состояния транзистора диод D1 закрыт, и нагрузка получает энергию только от конденсатора С1. 

Рис. 5

Обратноходовой преобразователь является единственным типом преобразователей с одним только индуктивным элементом в виде трансформатора Т1, который служит для накопления и трансформации энергии. Поскольку трансформатор Т1 является накопительным элементом, то большое значение приобретает линейность характеристики намагничивания его сердечника в большом диапазоне значений индукции. Однако все магнитные материалы характеризуются наличием области насыщения, где изменение тока через первичную обмотку уже не вызывает изменения магнитного потока в сердечнике. С целью избежать попадания в область насыщения, сердечники трансформаторов обратноходовых преобразователей обычно выполняются с немагнитным зазором. Такой зазор линеаризует характеристику намагничивания сердечника вплоть до очень больших значений индукции.
Идеализированные эпюры токов и напряжений для обратноходового преобразователя приводятся на рис. 6.

Рис. 6

При небольших значениях мощности более эффективными являются обратноходовые преобразователи, которые помимо прочего, реализуются меньшим количеством радиоэлементов. Так, например, в обратноходовых не применяют накапливающий дроссель во вторичных выпрямителях, не нужен рекуперационный диод с размагничивающей обмоткой трансформатора и, кроме того, во вторичных выпрямителях обходятся одним диодом. В связи с этим в подавляющем большинстве современных блоков питания мониторов нашли применение именно обратноходовые преобразователи.
Современные однотактные преобразователи можно разделить на две группы:
- автогенераторные преобразователи;
- преобразователи, управляемые специализированными микросхемами - ШИМ-контроллерами.
На сегодняшний день, пожалуй, более распространены управляемые преобразователи. Производители элементной базы поставляют на рынок очень много микросхем ШИМ-контроллеров с самыми различными характеристиками, что позволяет использовать их для построения абсолютно любого источника питания. Однако говорить о том, что автогенераторные преобразователи стоит забыть и они абсолютно беспереспективны еще слишком рано - область их применения достаточно широка.