2.5.4. Однотактные преобразователи с независимым возбуждением

Однотактные преобразователи применяются на мощности единицы и десятки ватт. Они содержат меньше силовых элементов, чем двухтактные, но габариты трансформатора и сглаживающего фильтра больше. Их преимущество проявляется при небольших мощностях. Применяются две схемы: с прямым и обратным включением диода.

Однотактный преобразователь с обратным включением диода изображен на рис. 2.5.13, а.

б)

i_к

i_д

i_L

U_L

U_п

U_п

а)

Рис. 2.5.13

Управляющее напряжение U_у открывает и закрывает транзистор VT, который подключает трансформатор к питающему напряжению U_п на время t_u = γT, где γ – коэффициент заполнения. В трансформаторе запасается электромагнитная энергия. Диод VД заперт. Конденсатор разряжается на нагрузку. При закрывании VT происходит скачкообразное изменение полярности напряжений на обмотках трансформатора диод открывается, и ранее накопленная в трансформаторе электромагнитная энергия через диод поступает в нагрузку, конденсатор заряжается. Трансформатор играет роль дросселя с индуктивностью L. Величина L не должна изменяться, поэтому сердечник выполнен с немагнитным зазором. Напряжение на индуктивности меняется от U_п  до U_нW1/W2 = nU_н.

Постоянная составляющая напряжения на дросселе равна нулю, поэтому

U_пγ = n U_н (1γ),

откуда

U_н = U_пγ/n(1γ). (2.5.19)

Изменяя γ, можно изменять U_н, поэтому зависимость U_н/U_п=F(γ) называется регулировочной характеристикой. Для этого преобразователя характеристика нелинейна.

Амплитудное значение коллекторного тока:

I_km = I_н/n(1γ) + U_пγT/2L. (2.5.20)

Максимальное напряжение U_кэmax :

U_кэmax=U_п + nU_н. (2.5.21)

Для сохранения режима непрерывных токов в индуктивности трансформатора должно выполняться условие L> L_kp, иначе импульсные токи I_km будут большие

L_kp = U_o2 γ2 /2fP_н. (2.5.22)

Амплитуда переменной составляющей на выходе преобразователя:

U_mc = I_нγ/2Cf . (2.5.23)

Однотактный преобразователь с прямым включением диода изображен на рис. 2.5.14,а.

a)

б)

Рис. 2.5.14

При включенном транзисторе VT VД1 закрыт, VД2 открыт, VД3 закрыт. Энергия передается в нагрузку. При закрывании транзистора происходит скачкообразное изменение полярности напряжений на обмотках трансформатора, VД1 отпирается, VД2 закрывается, VД3 под действием самоиндукции дросселя L открывается. Энергия, запасенная в LС2 фильтре, поступает в нагрузку. Через входной силовой фильтр С1, обмотку W₁, VD1 энергия, запасенная в индуктивности обмотки трансформатора, возвращается в источник питания и конденсатор С1.

По закону электромагнитной индукции e = -WΔФ/Δt.

При намагничивании:

.

При размагничивании:

.

Используя условие полного размагничивания ( ΔФ₊ = ΔФ_), запишем:

.

Отсюда определяется предельно допустимое γ , при котором трансформатор успевает размагнититься:

,

то есть

. (2.5.24)

Напряжение на закрытом транзисторе:

. (2.5.25)

Регулировочная характеристика линейна:

. (2.5.26)

Критическое значение индуктивности дросселя:

. (2.5.27)

Амплитуда переменной составляющей на выходе:

. (2.5.28)

Однотактный преобразователь с обратным включением диода содержит меньшее число элементов. Но сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током, поэтому габариты его больше. Кроме того, он должен быть с немагнитным зазором. Чем больше мощность преобразователя, тем меньше преимуществ у схемы с обратным включением диода.