В.Я.Володин Вероятно, наиболее часто двухтактные низковольтные преобразователи строятся по схеме (рис.1)
трансформаторного инвертора (ТИ).
Несмотря на то, что в этом инверторе используется трансформатор с выводом от средней точки первичной
обмотки и к транзисторам прикладывается удвоенное напряжение, он имеет определённые преимущества перед
мостовым и полумостовым инверторами. По сравнению с ним в мостовом инверторе используется в два раза
большее количество ключей, а в полумостовом ключи нагружены удвоенным током нагрузки. Поэтому, при
питании от низковольтного источника 12..27В, ТИ является неплохим выбором.
Как уже говорилось выше, обязательным элементом ТИ является трансформатор (Т2 на рис.1),
имеющий отвод от средней точки первичной обмотки. При изготовлении такого
трансформатора остро встаёт проблема обеспечения хорошей магнитной связи
между половинками первичной обмотки (низкой индуктивности рассеяния). Обычно,
в маломощных преобразователях, этот трансформатор имеет тороидальную конструкцию и обе
половинки первичной обмотки мотаются вместе (в два провода). Если же обмотку невозможно мотать в
два провода (например в мощных трансформаторах), то её секционируют и отдельные секции половинок
первичной обмотки мотают вперемешку. Обычно, в намотанных такими способами, трансформаторах удаётся
снизить индуктивность рассеяния между половинками первичной обмотки до неких допустимых пределов. Но
даже в этом случае, если не принимать особые меры, на запираемых транзисторах появляются опасные
выбросы напряжения, способные повредить транзистор (рис.2).
Для защиты транзисторов от перенапряжений в схему инвертора вводят дополнительные элементы. Например,
для ограничения амплитуды выбросов можно использовать стабилитроны (рис.3а).
Минимальное напряжение стабилизации таких стабилитронов должно быть выше максимального
напряжения на транзисторах в закрытом состоянии (Uст.мин > Uкэ), а максимальное напряжение
стабилизации ниже максимально допустимого напряжения для используемых транзисторов [1].
Здесь следует помнить, что, согласно первому закону коммутации, через стабилитрон
будет протекать тот же ток, что протекал через защищаемый транзистор непосредственно
перед его запиранием. То есть, если в мощном преобразователе транзистор коммутирует ток
более 2..3А, то с подбором стабилитрона возникают проблемы. Кроме этого, так как половинки первичной
обмотка трансформатора ИТ уложены вперемежку, то для этих трансформаторов характерна значительная
величина паразитной межобмоточной ёмкости. Поэтому при запирании транзистора на его коллекторе может
возникать не одиночный всплеск напряжения самоиндукции, а целая “шапка” высокочастотных паразитных
колебаний. При очень высокой частоте паразитных колебаний стабилитроны могут оказаться неэффективными
из-за большой собственной индуктивности. В этом случае используют различные ёмкостные и резистивно-
ёмкостные цепочки демпферирующие паразитные ВЧ колебания (рис.3б) или снижающие скорость запирания
транзисторов (рис.3в,г,д). По сравнению с вариантом на рис.3а, варианты на рис.3б,в,г,д характеризуются
большими активными потерями мощности. Кроме этого, в вариантах на рис.3в,г,д из-за снижения скорости
включения-выключения, потери возрастают в самих транзисторах, что может вызвать проблемы с их тепловым
режимом.
Исходя из вышесказанного полезно было бы доработать вариант изображённый на рис.3а так, чтобы
стабилитроны в нём не подвергались нагрузке импульсными токами. Доработанный вариант изображён на
рис.4 и был использован в бесперебойном источнике [2].
Здесь энергия накопленная в индуктивности рассеяния
первичной обмотки, в моменты запирания транзисторов инвертора, через двухполупериодный выпрямитель на
диодах VD1, VD2 передаётся в конденсатор С, который зашунтирован цепочкой состоящей из последовательно
включенных сопротивления и стабилитрона. Напряжение стабилизации стабилитрона должно быть выше
максимально возможного напряжения питания преобразователя. Так как напряжение питания преобразователя
в два раза ниже напряжения на транзисторах в закрытом состоянии, то, следовательно, стабилитрон может быть
более низковольтным и допускать больший ток стабилизации нежели в случае изображённом на рис3а. Кроме
этого через стабилитрон протекает средний, а не амплитудный ток. К решению данной проблемы меня
подтолкнул сгоревший преобразователь ПНА (преобразователь напряжения автомобильный 12В->220В 50Гц)
непонятного производителя, который принесли в ремонт. В каждом плече преобразователя было включено
параллельно по 2 транзистора 2Т818А, которые были зашунтированы стабилитронами Д817А. Вдобавок ко
всему половинки первичной обмотки были намотаны на различных кернах П-образного сердечника
трансформатора, что обеспечивало максимально возможную индуктивность рассеяния между ними. Как и
следовало ожидать, один из стабилитронов был в обрыве, а другой закорочен. Всё остальное, кроме сгоревшего
предохранителя, было в норме.
Для расчёта номиналов R и C (рис.4) нужно определить индуктивность рассеяния первичной обмотки
трансформатора. Для этого воспользуемся измерительной схемой изображённой на рис.5.
Здесь Ra=Rb=0.025Ом активное сопротивление соответствующей половинки первичной обмотки
трансформатора. Из эксперимента получено, что, при токе 3А, на половине первичной обмотки падает
напряжение 1.156В, следовательно полное сопротивление измеренной цепи Z=1.156/3=0.385Ом. Зная активное
и полное сопротивление обмотки Ia, можем найти её индуктивное сопротивление:
Без учёта активного сопротивления обмотки XL=0.1925Ом. Найдём индуктивность рассеяния:
Ls=XL/(2*3.14*F)=XL/314=0.192/314=0.61мГн
Из настройки защиты (которая имелась в преобразователе) и внешних прикидок (количество транзисторов,
размеры трансформатора...) стало ясно, что
максимальный ток первичной обмотки I=15А. Исходя из этого, можно определить мощность которая накапливается в
индуктивности рассеяния и которую потом надо будет рассеять:
PLs=F*I*I*Ls=50*15*15*0.61e-3=6.86Вт
Определимся со стабилитроном. Из условий изложенных выше отлично подходит стабилитрон Д815Ж.
Напряжение стабилизации Д815Ж, при максимальном токе стабилизации Iст.макс=0.45А, составляет 16.2 – 18 -
19.8В, что гарантированно выше максимального напряжения аккумуляторной батареи Uп.макс=15В от которой
работает преобразователь.
Теперь определимся с максимальным напряжением на конденсаторе С. Во-первых есть смысл сделать это
напряжение побольше, т.к. в этом случае основные потери энергии будут происходить на балластном резисторе
R, а не на стабилитроне VD3. Во-вторых мы не можем поднять это напряжение выше Uc.макс=Uкэ.макс-
Uп.макс=100-15=85В. И в-третьих мы не можем опустить это напряжение ниже
Uс.мин=PLs/Iст.макс=6.86/0.45=15.25В. Чтобы не было особых проблем с подбором конденсатора определим
напряжение Uc=50В. При этом через стабилитрон VD3 и резистор R будет протекать ток
Ic=PLs/Uc=6.86/50=0.137А. Сопротивление резистора R=(Uc-Uст)/Ic=(50-18)/0.137=233Ом. На резисторе R
будет рассеиваться мощность Pr=Ic*Ic*R=0.137*0.137*233=4.37Вт. Соберём этот резистор из трёх резисторов
МЛТ-2 сопротивлением 680Ом. Результирующее значение сопротивления получаем R=227Ом. Чтобы теперь
для этого сопротивления найти новое значение тока нужно решить квадратное уравнение:
Ic*Ic*R+Ic*Uст-P=0, откуда Ic=0.14A.
Пусть двойная амплитуда пульсации на конденсаторе С будет dUc=0.1*Uc=5В. Тогда C=Iс/(2*F*dUc)=280мкФ.
Используем в качестве С три конденсатора 100мкФ х 63В, включенных параллельно.
После установки данного устройства, преобразователь работает и по сей день (это с 1997 года). Реальные
режимы соответствуют расчётным.
Литература:
1. Г.П. Вересов, Ю.Л, Смуряков. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. М.: Энергия, 1978
год, стр.139-141.
2. В. Володин. Источник бесперебойного питания. Журнал Радио №5,6 за 2001 год.
