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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Stabilisierter Single-Ended-Spannungswandler
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter Der Artikel beschreibt die Konstruktionsprinzipien und eine praktische Version eines einfachen pulsstabilisierten Spannungswandlers, der den Betrieb über einen weiten Bereich von Eingangsspannungsänderungen ermöglicht. Unter den verschiedenen sekundären Stromquellen (PSPS) mit transformatorlosem Eingang zeichnet sich der Single-Cycle-Selbstoszillator-Wandler mit der „umgekehrten“ Verbindung einer Gleichrichterdiode [1] (Abb. 1) durch seine extreme Einfachheit aus.
Betrachten wir zunächst kurz das Funktionsprinzip eines unstabilisierten Spannungswandlers und dann die Methode zu seiner Stabilisierung. Transformator T1 - lineare Drossel; Die Intervalle der Energieakkumulation darin und der Übertragung der angesammelten Energie an die Last sind zeitlich beabstandet. In Abb. In Abb. 2 zeigt: II – Strom der Primärwicklung des Transformators, III – Strom der Sekundärwicklung, tn – Intervall der Energieakkumulation im Induktor, tp – Intervall der Energieübertragung an die Last.
Wenn die Versorgungsspannung Up angeschlossen wird, beginnt der Basisstrom des Transistors VT1 durch den Widerstand R1 zu fließen (die Diode VD1 verhindert den Stromfluss durch den Basiswicklungskreis und der Kondensator C2, der ihn nebenschließt, erhöht die positive Rückkopplung (POF) in der Stufe der Bildung von Spannungsfronten). Der Transistor öffnet sich leicht, der PIC-Kreis schließt sich über den Transformator T1, in dem der regenerative Prozess der Energiespeicherung stattfindet. Der Transistor VT1 geht in die Sättigung. Die Versorgungsspannung wird an die Primärwicklung des Transformators angelegt und der Strom II (Kollektorstrom Ik des Transistors VT1) steigt linear an. Der Basisstrom IB des gesättigten Transistors wird durch die Spannung an der Wicklung III und den Widerstandswert des Widerstands R2 bestimmt. In der Energiespeicherstufe ist die Diode VD2 geschlossen (daher der Name des Wandlers – mit „umgekehrter“ Einschaltung der Diode), und der Stromverbrauch vom Transformator erfolgt nur durch den Eingangskreis des Transistors über die Basiswicklung. Wenn der Kollektorstrom Ik den Wert erreicht: IKmax = h21EIB, (1) wobei h21E der statische Stromübertragungskoeffizient des Transistors VT1 ist, verlässt der Transistor den Sättigungsmodus und es entwickelt sich ein umgekehrter regenerativer Prozess: Der Transistor schließt, die Diode VD2 öffnet und die vom Transformator angesammelte Energie wird auf die Last übertragen. Nachdem der Sekundärwicklungsstrom abnimmt, beginnt die Energiespeicherstufe erneut. Das Zeitintervall tp ist maximal, wenn der Wandler eingeschaltet ist, wenn der Kondensator C3 entladen ist und die Lastspannung Null ist. In [1] wird gezeigt, dass das Netzteil nach der Schaltung in Abb. aufgebaut ist. 1, - Funktionswandler der Versorgungsspannungsquelle Bis zur Laststromquelle In. Es ist wichtig zu beachten: Da die Phasen der Energiespeicherung und -übertragung zeitlich getrennt sind, hängt der maximale Kollektorstrom des Transistors nicht vom Laststrom ab, d. h. der Wandler ist am Ausgang vollständig vor Kurzschlüssen geschützt. Wenn der Wandler jedoch ohne Last eingeschaltet wird (Leerlaufmodus), kann ein Spannungsstoß an der Transformatorwicklung im Moment des Schließens des Transistors den maximal zulässigen Wert der Kollektor-Emitter-Spannung überschreiten und ihn beschädigen. Der Nachteil des einfachsten Wandlers ist die Abhängigkeit des Kollektorstroms IK max und damit der Ausgangsspannung vom statischen Stromübertragungskoeffizienten des Transistors VT1. Daher variieren die Stromversorgungsparameter bei Verwendung verschiedener Instanzen erheblich. Ein Wandler mit einem „selbstgeschützten“ Schalttransistor weist wesentlich stabilere Eigenschaften auf (Abb. XNUMX).
Die Sägezahnspannung vom Widerstand R3, proportional zum Strom der Primärwicklung des Transformators, wird an die Basis des Hilfstransistors VT2 angelegt. Sobald die Spannung am Widerstand R3 die Öffnungsschwelle des Transistors VT2 (ca. 0,6 V) erreicht, öffnet dieser und begrenzt den Basisstrom des Transistors VT1, wodurch der Prozess der Energieakkumulation im Transformator unterbrochen wird. Maximaler Strom der Primärwicklung des Transformators IImax \u0,6d IKmax \u3d 2 / RXNUMX (XNUMX) Es stellt sich heraus, dass es kaum von den Parametern einer bestimmten Instanz des Transistors abhängt. Natürlich muss der nach Formel (2) berechnete Stromgrenzwert kleiner sein als der nach Formel (1) ermittelte Strom für den schlechtesten Wert des statischen Stromübertragungskoeffizienten. Betrachten wir nun die Möglichkeit, die Ausgangsspannung des Netzteils zu regulieren (stabilisieren). In [1] wird gezeigt, dass der einzige Parameter des Wandlers, der zur Regelung der Ausgangsspannung geändert werden kann, der Strom IК max ist, oder was dasselbe ist, die Energieakkumulationszeit tн im Transformator und die Steuerung (Stabilisierung). ) Einheit kann den Strom nur im Vergleich zum mit Formel (2) berechneten Wert reduzieren. Indem wir das Funktionsprinzip der Wandlerstabilisierungseinheit formulieren, können wir folgende Anforderungen an sie ermitteln:
Die in [1] angegebenen Diagramme von Steuergeräten, die diesen Algorithmus implementieren, enthalten einen K521SAZ-Komparator, sieben Widerstände, einen Transistor, eine Diode, zwei Zenerdioden und einen Transformator. Auch andere bekannte Geräte, darunter Fernsehnetzteile, sind recht komplex. Unterdessen können Sie mit einem selbstgeschützten Schalttransistor einen viel einfacheren stabilisierten Wandler bauen (siehe Diagramm in Abb. 4).
Die Rückkopplungswicklung (OS) III und die Schaltung VD3C4 bilden eine Rückkopplungsspannung proportional zur Ausgangsspannung des Wandlers. Die Referenzstabilisierungsspannung der Zenerdiode VD4 wird von der Rückkopplungsspannung abgezogen und das resultierende Fehlanpassungssignal wird an den Widerstand R5 angelegt. Vom Motor des Trimmwiderstands R5 wird die Summe zweier Spannungen an die Basis des Transistors VT2 geliefert: eine konstante Steuerspannung (Teil der Fehlanpassungsspannung) und eine Sägezahnspannung vom Widerstand R3, proportional zum Strom der Primärwicklung von Der Transformator. Da die Öffnungsschwelle des Transistors VT2 konstant ist, führt eine Erhöhung der Steuerspannung (z. B. mit einer Erhöhung der Versorgungsspannung Upit und dementsprechend einer Erhöhung der Ausgangsspannung des Wandlers) zu einer Verringerung des Stroms II, bei dem der Transistor VT2 öffnet, und zu einer Verringerung der Ausgangsspannung. Dadurch wird der Wandler stabilisiert und seine Ausgangsspannung wird durch den Widerstand R5 in kleinen Grenzen reguliert. Der Stabilisierungskoeffizient des Wandlers hängt vom Verhältnis der Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers zur entsprechenden Änderung der Konstantspannungskomponente basierend auf dem Transistor VT2 ab. Um den Stabilisierungskoeffizienten zu erhöhen, ist es notwendig, die Rückkopplungsspannung (die Anzahl der Windungen der Wicklung III) zu erhöhen und die Zenerdiode VD4 entsprechend der Stabilisierungsspannung auszuwählen, die etwa 0,5 V unter der OS-Spannung liegt Praktisch gut geeignet sind Zenerdioden der D814-Serie mit einer OS-Spannung von ca. 10 V. Es ist zu beachten, dass zur Erzielung einer besseren Temperaturstabilität des Wandlers eine Zenerdiode VD4 mit positivem TKN verwendet werden muss, die den Spannungsabfall am Emitterübergang des Transistors VT2 bei Erwärmung ausgleicht. Daher sind die Zenerdioden der D814-Serie besser geeignet als die Präzisions-Zenerdioden D818. Die Anzahl der Ausgangswicklungen des Transformators (ähnlich Wicklung II) kann erhöht werden, d.h. der Wandler kann mehrkanalig ausgeführt werden. Gebaut nach dem Diagramm in Abb. 4 Wandler sorgen für eine gute Stabilisierung der Ausgangsspannungen, wenn sich die Eingangsspannung in einem sehr weiten Bereich (150...250 V) ändert. Beim Betrieb mit variabler Last, insbesondere bei Mehrkanalumrichtern, sind die Ergebnisse jedoch etwas schlechter, da bei einer Änderung des Laststroms in einer der Wicklungen eine Energieumverteilung zwischen allen Wicklungen erfolgt. In diesem Fall spiegelt die Änderung der Rückkopplungsspannung die Änderung der Ausgangsspannung des Wandlers mit geringerer Genauigkeit wider. Es ist möglich, die Stabilisierung beim Betrieb mit variabler Last zu verbessern, wenn die OS-Spannung direkt aus der Ausgangsspannung erzeugt wird. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, ist die Verwendung eines zusätzlichen Transformator-Spannungswandlers mit geringer Leistung, der nach einer der bekannten Schaltungen aufgebaut ist [2]. Auch bei einer mehrkanaligen Stromquelle ist der Einsatz eines zusätzlichen Spannungswandlers gerechtfertigt. Der Hochspannungswandler liefert eine der stabilisierten Spannungen (die höchste davon – bei hohen Spannungen ist der Kondensatorfilter am Ausgang des Wandlers effizienter [1]), und die restlichen Spannungen, einschließlich der OS-Spannung, werden erzeugt durch einen zusätzlichen Konverter. Für die Herstellung eines Transformators verwendet man am besten einen gepanzerten Ferrit-Magnetkern mit einem Spalt im Mittelstab, der eine lineare Magnetisierung gewährleistet. Wenn kein solcher Magnetkreis vorhanden ist, können Sie eine 0,1...0,3 mm dicke Dichtung aus Leiterplatte oder sogar Papier verwenden, um einen Spalt zu schaffen. Es ist auch möglich, Ringmagnetkerne zu verwenden. Obwohl die Literatur darauf hinweist, dass bei den in diesem Artikel betrachteten Wandlern mit „umgekehrter“ Diodenschaltung der Ausgangsfilter rein kapazitiv sein kann, kann die Verwendung von LC-Filtern die Welligkeit der Ausgangsspannung weiter reduzieren. Für einen sicheren Betrieb des IVEP sollte ein Trimmwiderstand (R5 in Abb. 4) mit guter Isolierung des Motors verwendet werden. Die galvanisch mit der Netzspannung verbundenen Transformatorwicklungen müssen zuverlässig vom Ausgang isoliert sein. Das Gleiche gilt auch für andere Radioelemente. Wie jede Stromquelle mit Frequenzumwandlung muss die beschriebene Stromquelle mit einer elektromagnetischen Abschirmung und einem Eingangsfilter ausgestattet sein. Die Sicherheit beim Aufbau des Umrichters wird durch einen Netztransformator mit einem Übersetzungsverhältnis von eins gewährleistet. Am besten ist jedoch die Verwendung eines in Reihe geschalteten LATR und eines Trenntransformators. Das Einschalten des Wandlers ohne Last führt höchstwahrscheinlich zum Ausfall des leistungsstarken Schalttransistors. Schließen Sie daher vor dem Aufbau die Ersatzlast an. Nach dem Einschalten sollte man zunächst mit einem Oszilloskop die Spannung am Widerstand R3 prüfen – sie sollte auf der tn-Stufe linear ansteigen. Wenn die Linearität unterbrochen ist, bedeutet dies, dass der Magnetkreis in die Sättigung gerät und der Transformator neu berechnet werden muss. Überprüfen Sie mit einer Hochspannungssonde das Signal am Kollektor des Schalttransistors – die Impulsabfälle sollten ziemlich steil sein und die Spannung am offenen Transistor sollte klein sein. Bei Bedarf sollten Sie die Windungszahl der Basiswicklung und den Widerstandswert des Widerstands R2 im Basiskreis des Transistors anpassen. Als nächstes können Sie versuchen, die Ausgangsspannung des Wandlers mit dem Widerstand R5 zu ändern; Passen Sie bei Bedarf die Windungszahl der OS-Wicklung an und wählen Sie eine VD4-Zenerdiode aus. Überprüfen Sie den Betrieb des Wandlers, wenn sich Eingangsspannung und Last ändern. In Abb. Abbildung 5 zeigt ein IVEP-Diagramm für einen ROM-Programmierer als Beispiel für die Verwendung eines Konverters, der auf der Grundlage des vorgeschlagenen Prinzips aufgebaut ist.
Quellparameter sind in der Tabelle angegeben. eines. Tabelle 1
Bei einem Wechsel der Netzspannung von 140 auf 240 V liegt die Spannung am Ausgang der 28-V-Quelle im Bereich von 27,6...28,2 V; Quelle +5 V - 4,88...5 V. Die Kondensatoren C1-C3 und die Induktivität L1 bilden einen Eingangsnetzfilter, der die Emission hochfrequenter Störungen durch den Wandler reduziert. Der Widerstand R1 begrenzt den Ladestromimpuls des Kondensators C4 beim Einschalten des Wandlers. Die Schaltung R3C5 glättet Spannungsstöße am Transistor VT1 (eine ähnliche Schaltung ist in den vorherigen Abbildungen nicht dargestellt). Ein herkömmlicher Wandler ist auf den Transistoren VT3, VT4 aufgebaut und erzeugt aus der Ausgangsspannung +28 V zwei weitere: +5 V und -5 V sowie die OS-Spannung. Im Allgemeinen liefert der IVEP eine stabilisierte Spannung von +28 V. Die Stabilität der anderen beiden Ausgangsspannungen wird durch die Speisung eines zusätzlichen Wandlers aus einer +28-V-Quelle und eine ziemlich konstante Belastung dieser Kanäle gewährleistet. Der IVEP bietet Schutz vor Überschreitung der Ausgangsspannung von +28 V bis 29 V. Bei Überschreitung öffnet und schließt der Triac VS1 die +28 V-Quelle. Das Netzteil gibt ein lautes Quietschen von sich. Der Strom durch den Triac beträgt 0,75 A. Der Transistor VT1 ist auf einem kleinen Kühlkörper aus einer 40 (30 mm) großen Aluminiumplatte montiert. Anstelle des KT828A-Transistors können Sie auch andere Hochspannungsgeräte mit einer Spannung von mindestens 600 V und einem Strom von mehr als 1 verwenden A, zum Beispiel KT826B, KT828B, KT838A. Anstelle des KT3102A-Transistors können Sie jede beliebige KT3102-Serie verwenden; Transistoren KT815G können durch KT815V, KT817V, KT817G ersetzt werden. Bei hohen Frequenzen müssen Gleichrichterdioden (außer VD1) verwendet werden, zum Beispiel die Serie KD213 usw. Es empfiehlt sich die Verwendung von Oxidfilterkondensatoren der Serie K52, ETO. Der Kondensator C5 muss eine Spannung von mindestens 600 V haben. Der Triac TS106-10 (VS1) wird ausschließlich aufgrund seiner geringen Größe verwendet. Nahezu jede Art von SCR, die einem Strom von etwa 1 A standhält, ist geeignet, einschließlich der Serie KU201. Allerdings muss der Thyristor entsprechend dem minimalen Steuerstrom ausgewählt werden. Es ist zu beachten, dass es im Einzelfall (bei relativ geringem Stromverbrauch aus der Quelle) möglich wäre, auf einen zweiten Wandler zu verzichten, indem man einen Wandler nach der Schaltung in Abb. aufbaut. 4 mit zusätzlichen Wicklungen für +5 V- und -5 V-Kanäle und Linearstabilisatoren der KR142-Serie. Der Einsatz eines zusätzlichen Wandlers ist auf den Wunsch zurückzuführen, Vergleichsstudien verschiedener IVEPs durchzuführen und sicherzustellen, dass die vorgeschlagene Option eine bessere Stabilisierung der Ausgangsspannung bietet. Die Parameter von Transformatoren und Drosseln sind in der Tabelle angegeben. 2. Tabelle 2
Der Magnetkern für den Transformator T1 wird von der Filterdrossel der Stromversorgung des Laufwerks auf Wechselmagnetplatten der ES-Serie von Computern verwendet. Arten von Magnetkreisen der Drosseln L1-L4 sind nicht kritisch. Die Quelle wird gemäß der oben beschriebenen Methode eingerichtet. Zuerst muss jedoch der Überspannungsschutz ausgeschaltet werden, indem der Schieberegler des Widerstands R10 gemäß der Abbildung in die untere Position gebracht wird. Nach dem Einrichten des IVEP sollten Sie mit dem Widerstand R5 die Ausgangsspannung auf +29 V einstellen und durch langsames Drehen des Schiebereglers des Widerstands R10 die Öffnungsschwelle des Triac VS1 erreichen. Schalten Sie dann die Quelle aus, drehen Sie den Schieberegler des Widerstands R5 in Richtung einer Verringerung der Ausgangsspannung, schalten Sie die Quelle ein und stellen Sie die Ausgangsspannung mit dem Widerstand R5 auf 28 V ein. Es ist zu beachten: Da die Spannungen an den +5-V- und -5-V-Ausgängen von der +28-V-Spannung abhängen und nicht separat davon geregelt werden, hängt sie von den Parametern der verwendeten Elemente und dem Strom einer bestimmten Last ab Möglicherweise muss die Anzahl der Windungen der Wicklungen des T2-Transformators ausgewählt werden. Literatur
Autor: Yu.Vlasov, Murom, Gebiet Wladimir
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