А. Черномырдин - Семь шагов в электронику

Функциональная схемапреобразователя напряжений приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Функциональная схема преобразователя напряжений

Она состоит из мощного генератора переменного напряжения (I), трансформатора (II), выполняющего нужные преобразования напряжений, и мощного выпрямителя (III). Кроме указанных компонент, в преобразователе часто присутствует дополнительный элемент — устройство управления (обеспечивает преобразователь дополнительными функциями, например, токовой защитой или плавным включением).

Идеальный преобразователь должен выполнять преобразование напряжений без потерь мощности, поскольку это — совершенно ненужные затраты, снижающие КПД. Естественно, в реальной жизни такого не бывает, и потери мощности при преобразовании неизбежны.

Причин потери мощности несколько.

Причина 1.Из соображений минимизации размеров трансформатора преобразование напряжений выполняют на повышенной частоте. Если силовой трансформатор мощностью 1 кВт, работающий на частоте 50 Гц, по весу и размерам вполне может сойти за двухпудовую гирю, то такой же трансформатор для частоты 100 кГц легко помещается на ладони.

Однако на таких высоких частотах резко возрастают потери в железе и меди трансформатора. Особенно в железе — в промышленности, например, токи частот 60–70 кГц используются для нагрева металла перед закалкой (т. е. до 700–800 градусов). Все это вынуждает:

♦ применять специальные материалы (ферриты), которые способны работать на столь высоких частотах с приемлемыми потерями мощности;

♦ обмотки выполнять многожильным проводом или несколькими скрученными проводами, чтобы снизить т. н. скин-эфф ект (он заключается в «выдавливании» высокочастотных токов из глубины проводника на его поверхность, в результате чего внутренняя часть проводника перестает участвовать в передаче тока, а это напрасный расход весьма дорогой меди).

Причина 2.Для того чтобы обеспечить минимальные потери мощности в инверторе, преобразование частоты выполняется не с помощью синусоидального переменного напряжения, а с помощью напряжения, имеющего прямоугольную форму.

В этом случае выходные ключи преобразователя работают в ключевом режиме (аналогично усилителям класса D), т. е. они либо полностью открыты (и тогда протекающий через них ток вызывает минимально возможные потери мощности), либо полностью закрыты (и тогда, естественно, вообще не вносят никаких потерь).

Проблема здесь заключается в том, что ни один силовой ключ не в состоянии мгновенно перейти из одного состояния в другое — он неизбежно проходит при этом стадию т. н. активного режима, в котором он больше всего похож на основательно подгоревший контакт. Именно в моменты перехода из одного состояния в другое на силовых ключах и происходит львиная доля всех потерь мощности.

Сократить потери при переходе ключей из одного состояния в другое — задача весьма непростая, и решается она как выбором быстродействующих ключей, так и схемно-техническими средствами (сокращением времени переключения ключей и уменьшением тока, протекающего через ключ в момент переключения).

Причина 3.по аналогичной причине — невозможности мгновенно открыться или закрыться, — происходят потери мощности на диодах выпрямителя. Здесь также задача снижения потерь мощности решается выбором диодов и схемно-техническими средствами.

Схемотехника преобразователей напряжения отличается большим разнообразием, однако ее можно разбить на несколько групп. Первое, самое очевидное, деление — преобразователи бывают однотактные и двухтактные. Легко догадаться, что эти группы отличаются количеством силовых ключей в схеме.

Однотактные преобразователи(рис. 7.2) содержат всего один силовой ключ, всего один выпрямительный диод, отличаются более простой схемотехникой, и практически всегда используются в источниках пихания сравнительно небольшой мощности.

Главный недостаток однотактных преобразователей — они работают при сильном подмагничивании магнитопровода трансформатора, поэтому далеко не всякий трансформатор будет пригоден для работы в однотактной схеме. По этой же причине достаточно сложно изготовить однотактный преобразователь на большие мощности.