Однотактные ТПН

Они обладают наиболее простой схемой и поэтому часто применяются на практике. Однако им свойствен и ряд специфических недостатков, в результате чего их применение ограничивается в основном преобразователями малой и средней мощности (до нескольких сот ватт).

На рис.1.3-9 изображена наиболее простая схема однотактного ТПН. Силовая схема содержит только один транзисторный ключ S, а выпрямитель только один диод VD1. Цепочка из стабилитрона VD3 и диода VD2 составляет узел размагничивания сердечника силового трансформатора. Наличие этого узла специфично для однотактной схемы. При варианте исполнения этого узла, приведенном на рис.1.3-9, схема целесообразна только при малом значении остаточного магнитного потока в сердечнике. Для этого либо материал сердечника должен обладать малой остаточной индукцией , либо в сердечник должен быть введен немагнитный зазор. Причина состоит в асимметрии цикла перемагничивания сердечника (на рис. 1.3-10 заштрихован). При замыкании ключа S подается напряжение u_п на первичную обмотку, открывается диод VD1 и начинает подзаряжаться конденсатор выходного фильтра. Одновременно с этим начинает намагничиваться сердечник трансформатора. При размыкании ключа S э.д.с. самоиндукции первичной обмотки изменяет полярность и достигает напряжения стабилизации u_р стабилитрона VD3, что приводит к отпиранию диода VD2 и ограничению э.д.с. самоиндукции на уровне u_р на всем последующем интервале размагничивания t_р (рис.1.3-11). Энергия, запасенная в сердечнике, выделяется в стабилитроне в виде тепла. После возврата рабочей точки в исходное положение 0 (рис.1.3-10) ток в диоде VD2 прекращается и он запирается.

Наличие интервала паузы t₀ в токе силового ключа затрудняет реализацию принципа самовозбуждения. Поэтому однотактные ТПН выполняются с независимым возбуждением; длительность отпирающего импульса на управляющем электроде силового ключа равна времени его замкнутого состояния t_s.

Рассмотрим некоторые свойства схемы. При полном размагничивании сердечника площади, ограниченные положительной и отрицательной волнами напряжения u_т, равны, так как соответствуют одинаковому приращению индукции

(1.3.6)

Время размагничивания t_р не может быть больше разности T-t_s. При увеличении интервала t_s, когда замкнут ключ S, возрастает его и диода VD1 использование по току, а также снижается требуемая емкость фильтровых конденсаторов. Однако при этом растет требуемое u_р. В интервале t_р к ключу S приложена сумма напряжений u_п и u_р, поэтому повышается рабочее напряжение ключа. Аналогичное заключение можно сделать и для диода VD1.

Оптимальным по амплитудной мощности управляемого ключа является значение коэффициента заполнения . Поэтому задающий генератор, управляющий ключом S, должен выдавать импульсы длительностью периода.

На примере схемы рис.1.3-9 выявляются недостатки всех однотактных схем:

1) утяжеление входного и выходного фильтров вследствие наличия паузы T-t_s, в течение которой нагрузка отключена от источника питания;

2) ухудшение использования силового трансформатора по току, поскольку существуют интервалы времени, когда ток нагрузки в обмотках трансформатора не протекает.

Недостатки схемы рис.1.3-9 по отношению к другим однотактным схемам:

1) к.п.д. снижен вследствие того, что энергия, запасаемая в сердечнике трансформатора, не используется полезно;

2) перепад индукции в сердечнике не может быть выше B_s-B_r (рис.1.3-10); если по условиям нагрева допустимо большее значение, то размеры трансформатора больше оптимальных.

Первый недостаток устраняется, если возвращать запасенную энергию источнику питания (рис.1.3-12). Узел размагничивания содержит здесь обмотку размагничивания W3 и диод VD2. Диод открывается, когда э.д.с. самоиндукции на обмотке W3 достигнет u_п, чему соответствует напряжение первичной обмотки

(1.3.7)

Намагничивающий ток замкнется в контуре W3,u_п,VD2, обеспечивая передачу запасенной энергии источнику. При требуется иметь u_р=u_п, то есть W3=W1.

Второй недостаток устраняется, если подмагнитить сердечник постоянным током (рис.1.3-13). Ток подмагничивания i_п притекает к концу обмотки W3, что противоположно направлению намагничивающего тока в первичной обмотке. Благодаря этому в интервале размагничивания рабочая точка перемещается левее точки 0 (рис.1.3-10) и становится возможным использование полного цикла петли гистерезиса, если он допустим по условиям нагрева. Подмагничивание сердечника позволяет также применить магнитный материал с высокой остаточной индукцией без введения немагнитного зазора. Обычно источником тока i_п является ток нагрузки, а в качестве W3 при этом используют отпайку вторичной обмотки W2. Соответствующая схема будет рассмотрена в разд. 1.5.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. В чем преимущества и недостатки однотактных схем в сравнении с двухтактными и какова область их применения?

2. Назовите состав и принцип действия однотактной схемы, представленной на рис.1.3-9.

3. Каким образом определяется напряжение на первичной обмотке силового трансформатора при размагничивании сердечника?

4. Как обеспечивается возврат источнику питания энергии, запасенной в сердечнике трансформатора?

5. Каким образом увеличить перепад индукции в сердечнике трансформатора и что это дает?