Использование дросселя с отпайкой

Уменьшить коммутационные перегрузки полупроводниковых приборов можно также при использовании дросселей с отпайками, как показано на рис. 8. Здесь дополнительные секции обмоток дросселей сглаживающих фильтров выполняют те же функции, что и дополнительные дроссели, включенные в цепь коллектора транзистора (см. рис. 7). Кроме того, разделение обмотки дросселя на две части и включение его как автотрансформатор позволяет уменьшить напряжение на транзисторе при (см. рис. 8, а) или увеличить при k_тр< 1 (см. рис. 8,6) по сравнению с исходной схемой (см. рис. 1, a). Необходимость уменьшения напряжения на транзисторе возникает при питании от источника с повышенным напряжением, а необходимость повышения – при низковольтном питании с целью уменьшения тока, проходящего через регулирующий транзистор.

Рис. 8

Выведем выражение регулировочной характеристики схем на рис. 8 для идеализированных элементов, исходя из условия равенства нулю среднего значения напряжений на любой из обмоток дросселя, например, на обмотке w2.

При замкнутом состоянии транзисторов к обмотке дросселя w1 прикладывается разность напряжений U_вх и U_вых, а к обмотке w2, следовательно, напряжение

.

При разомкнутом состоянии транзистора к обмотке w2 прикладывается всё выходное напряжение, т.е. U_w2 = U_вых. С учетом сказанного можно составить равенство

,

из которого получается выражение, определяющее связь входного и выходного напряжений

.

На рис. 9 представлены рассчитанные по выражению (8) регулировочные характеристики для k_TP = 2 и k_TP = 0,5, а также для сравнения — регулировочная характеристика для схемы преобразователя с дросселем без отпайки (см. рис. 1, а), т.е. для k_TP = 1.

Из полученных графиков можно сделать следующие выводы:

а) включение дросселя с отпайкой по автотрансформаторной схеме не приводит к изменению максимального уровня выходного напряжения, т.е. всегда U_вых < U_вх;

б) регулировочные характеристики при использовании дросселя с отпайкой ухудшаются, становятся нелинейными.

Определим теперь величину напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору, в преобразователе по схеме на рис. 8, а.

На интервале закрытого состояния транзистора открыт обратный диод и всё напряжение нагрузки прикладывается к обмотке дросселя с числом витков W2. Для такого состояния схемы справедлива схема замещения, представленная на рис. 10.

На схеме замещения напряжения на обмотках дросселя U’ и U” пропорциональны количеству витков (W2 – W1) и W1 соответственно.

С учетом полярности напряжений в схеме к закрытому транзистору будет приложено напряжение

,

(9)

Подставив в (9) значение U_вых из (8), получим

,

(10)

Соотношения (9) и (10) справедливы и для схемы с повышенным по отношению к напряжению питания напряжением на транзисторе (см. рис. 8, б).

Рассчитанные по формуле (10) графики для нескольких значений k_TP > 1 (для схемы, см. рис. 8, а) приведены на рис. 11.

Из представленных зависимостей видно, что эффект снижения напряжения на транзисторе уменьшается с уменьшением величины γ. В схемах стабилизации малые значения γ соответствуют режиму работы, приближающемуся к холостому ходу. Поэтому при большом диапазоне изменения нагрузки (вследствие большого диапазона изменения γ) реального выигрыша в снижении напряжения на транзисторе получить не удается, так как расчет следует вести на наихудший случай, соответствующий минимальному значению γ, когда отношение U_VT /U_вх стремится к 1 при любом значении k_TP.

Рис. 11

Особенностью схем на рис. 8 является то, что в момент каждой очередной коммутации транзистора скачком изменяется количество витков дросселя, по которым протекает ток. Но так как в момент коммутации магнитный поток в магнитопроводе дросселя постоянен, то скачком изменяется и ток дросселя. Указанный эффект иллюстрируется диаграммами изменения токов на рис. 12 (для схемы на рис. 8, а).

Рис. 12

В момент коммутации транзистора выполняются соотношения

Выполнение дросселя двухобмоточным приводит, таким образом к увеличению пульсаций тока дросселя что, в свою очередь, вызывает увеличение емкости конденсатора фильтра. Кроме того, выполнение дросселя двухобмоточным приводит и к увеличению его габаритных размеров по сравнению с однообмоточным вариантом.

Рассмотренные свойства схем понижающего преобразователя при k_тр ≠ 1 указывают на ограниченные возможности практического применения таких схем. Поэтому дроссель с коэффициентом k_тр ≠ 1 применяется только в том случае, когда необходимо облегчить режим работы ключевого элемента. Последнее может быть реализовано при значениях γ, изменяющихся в небольшом диапазоне, и близких к единице.

Более подробный анализ процессов в схемах с двухобмоточным дросселем и расчетные соотношения приведены в [2].