Импульсные преобразователи напряжения push-pull (генераторы Роэра)

Есть две категории любых импульсных преобразователей напряжения:

Преобразователь любой из этих двух категорий может быть как понижающим, так и повышающим, в устройствах с НКИ это зависит от схемы включения, в устройствах с трансформатором от коэффициента трансформации.

Для ясного понимания физических процессов протекающих в этих устройствах, необходимо понимать основы электромагнитных явлений, протекающих в индуктивных элементах схем: катушках индуктивности, трансформаторах и дросселях, а также их отличия друг от друга.

Катушка индуктивности - электротехнический компонент, деталь, состоящая из витков электрического провода, и обладающий индуктивным сопротивлением току в связи со своими геометрическими свойствами, приводящими к увеличению естественной индуктивности L, свойственной любому проводнику, за счет взаимоиндукции близко расположенных витков катушки. Катушка индуктивности может иметь ферромагнитный сердечник с магнитной проницаемостью μ, что увеличивает ее индуктивность в μ-раз. Катушке индуктивности свойственно явление самоиндукции - возникновения противо-э.д.с. согласно правилу Ленца, что увеличивает ее сопротивление переменному току и импульсные высокие напряжения в момент прерывания тока проводисоти в катушке, порождаемые токами смещения в эфире, создаваемые переменным магнитным полем. Катушка индуктивности обладает высоким сопротивлением переменному току (импедансом - ωL) и малым сопротивлением постоянному (омическое сопротивление r), ωL >> r. Отношение Q = ωL/r называется добротностью катушки индуктивности. При возникновении межвиткового замыкания в катушке индуктивности ее добротность падает и она превращается в дроссель - демпфирующий ограничитель.

Дроссель - от нем. drossel, ограничитель; катушка индуктивности с ограничением противо-э.д.с., которое достигается гашением последней с помощью короткозамкнутой обмотки, специального витка. Противо-э.д.с. в такой катушке практически отсутствует, а значит ее можно использовать как демпфер, сглаживающий импульсы, фильтрующий компонент электрической цепи. Дроссель, также как и катушка индуктивности обладает высоким сопротивлением переменному току и низким - постоянному, но его импеданс (реактивное сопротивление) намного ниже, чем у катушки индуктивности с таким же числом витков, соответственно добротность дросселя существенно меньше добротности катушки индуктивности.

Трансформатор - от transformer, преобразователь; электротехнический компонент, состоящий из нескольких катушек индуктивности на общем сердечнике, то есть с высокой степенью индуктивной связи между катушками, обеспечивающей "Первый закон трансформатора" - одно и то же вихревое напряжение ε[в/виток] на любом витке вне зависимости от их гальванической связи. Это свойство позволяет трансформировать входное напряжение первичной обмотки (катушки) трансформатора в любое необходимое по правилу: Uвых = nε, где n - количество витков вторичной обмотки. Частным случаем трансформатора является "автотрансформатор" - трансформатор с гальванически связанными катушками, часто в виде одной катушки с отводами. При возникновении межвиткового замыкания в обмотках трансформатора его ток холостого хода увеличивается в разы и в нем возникают нагревающие его вихревые токи (токи короткого замыкания), превращающие его в подобие дросселя.

Импульсные преобразователи напряжения с НКИ

На выходе таких схем всегда будет или постоянное или пульсирующее напряжение.
Переменное напряжение на их выходе не получить.

Как работают импульсные преобразователи с НКИ?

Рассмотрим на примере повышающего преобразователя.
Накопительная катушка индуктивности L1 подключен так, что при открывании транзистора T1 через них начинает протекать ток от источника "+ПИТ", при этом ток возрастает в катушке не мгновенно, так как энергия запасается в магнитном поле катушки.
После того как транзистор T1 закрывается, запасённой в катушке энергии необходимо высвободится, это следует из физики явлений происходящих в катушке индуктивности, соответственно единственный путь этой энергии пролегает через источник +ПИТ, диод VD1 и нагрузку подключенную к ВЫХОДу.
При этом максимальное напряжение на выходе зависит только от одного - сопротивления нагрузки.
Если у нас идеальная катушка индуктивности и если нагрузка отсутствует, то напряжение на выходе будет бесконечно большим, однако мы имеем дело с далёкой от идеала катушкой, поэтому без нагрузки напряжение просто будет очень большим, возможно настолько большим что случиться пробой воздуха или диэлектрика между клеммой ВЫХОД и общим проводом, но скорее пробой транзистора.

Если катушка индуктивности высвобождает всю энергию которую накопила (за вычетом потерь), то как же регулировать напряжение на выходе таких преобразователей?
Очень просто - запасать в катушке индуктивности ровно столько энергии, сколько необходимо, что бы создать нужное напряжение на известном сопротивлении нагрузки.

Регулировка запасённой энергии производится длительностью импульсов открывающих транзистор (временем в течении которого открыт транзистор).

В понижающем преобразователе в катушке индуктивности происходят точно те же процессы, однако в этом случае при открывании транзистора катушка индуктивности не даёт напряжению на выходе увеличиться мгновенно, а после его закрывания, высвобождая запасённую энергию с одной стороны через диод VD1 а с другой через нагрузку подключенную к ВЫХОДу поддерживает напряжение на клемме ВЫХОД.

Напряжение на выходе такого преобразователя не может оказаться больше чем напряжение +ПИТ.

Импульсные преобразователи напряжения с трансформаторами

То есть задача сводится к получению переменного напряжения, которое необходимо приложить к первичной обмотке, от источника постоянного тока питающего преобразователь.

"Пуш-пул" ("push-pull"), генератор Роэра

Сигналы на входах по отношению к общему проводу:

Работает следующим образом:
когда транзистор T1 открыт, ток течёт через верхнюю половину обмотки - L1.1, затем транзистор T1 закрывается и открывается транзистор T2, ток начинает протекать через нижнюю половину обмотки - L1.2, так как верхняя половина обмотки L1 включена своим концом к +ПИТ а нижняя началом, то магнитное поле в сердечнике трансформатора при открытии T1 течёт в одну сторону, а при открытии T2 в другую, соответственно на вторичной обмотке L2 создаётся переменное напряжение.
L1.1 и L1.1 выполняются как можно более идентичными друг другу.
Преимущества:
Высокая эффективность при работе от низкого напряжения питания (через каждую половину обмотки и транзистор протекает только половина необходимого тока).
Недостатки:
Выбросы напряжения на стоках транзисторов равные удвоенному напряжению питания (например когда T1 открыт, а T2 закрыт, то ток течёт в L1.1 в свою очередь в L1.2 магнитное поле создаёт напряжение равное напряжению на L1.1 которое суммируясь с напряжением источника питания воздействует на закрытый T2).
То есть необходимо выбирать транзисторы на большее допустимое максимальное напряжение.
Применение:
Преобразователи, питающиеся от низкого напряжения (порядка 12 вольт).

Работает следующим образом:
когда транзистор T1 открыт, ток течёт через первичную обмотку трансформатора (L1) заряжая конденсатор C2, затем он закрывается и открывается T2, соответственно теперь ток течёт через L1 в обратном направлении, разряжая C2 и заряжая C1.
Недостатки:
Напряжение подводимое к первичной обмотке трансформатора в два раза ниже напряжения +ПИТ.
Приемущества:
Отсутствие выбросов удвоенного напряжения свойственных пуш-пулу.
Применение:
Преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: блоки питания компьютеров).

Работает следующим образом:
когда транзисторы T1 и T4 открыты, ток течёт через первичную обмотку трансформатора в одном направлении, затем они закрываются и открываются T2 и T3 ток через первичную обмотку начинает течь в обратном направлении.
Недостатки:
Необходимость установки четырёх мощных транзисторов.
Удвоенное падение напряжения на транзисторах (падения напряжения на смежных T1 T4/ T2 T3 транзисторах складываются).
Приемущества:
Полное напряжение питания на первичной обмотке.
Отсутствие выбросов удвоенного напряжения свойственных пуш-пулу.

Мощные преобразователи, питающиеся от бытовой осветительной сети, сетевые блоки питания (например: импульсные сварочные "трансформаторы").

Общими проблемами для преобразователей на трансформаторах являются те же проблемы что и преобразователей на базе НКИ: насыщение сердечника; сопротивление провода из которого выполнены обмотки; работа транзисторов в линейном режиме.

Обратноходовые и прямоходовые импульсные преобразователи

Обратноходовой и прямоходовой импульсный преобразователь напряжения - это "гибриды" преобразователя на базе накопительной катушки индуктивности (НКИ) и трансформатора, хотя в сути своей это преобразователь на базе НКИ и об этом никогда не стоит забывать.

Принцип работы такого преобразователя схож с повышающим преобразователем на НКИ, с той лишь разницей, что нагрузка включена не непосредственно к катушке, а к ещё одной дополнительной обмотке, намотанной на саму катушку, что превращает ее в трансформатор.

Как и в повышающем преобразователе, в случае включения его без нагрузки, его выходное напряжение будет стремиться к максимуму.

Недостатки:
Выбросы напряжения на ключевом транзисторе создающие необходимость применения ключевых транзисторов на напряжение значительно превышающее +ПИТ.
Высокое напряжение на выходе в отсутствии нагрузки.
Преимущества:
Гальваническая развязка цепи питания и цепи нагрузки.
Отсутствие потерь связанных с перемагничиванием сердечника (магнитное поле течёт в сердечнике всегда в одну сторону).

Явления, о которых необходимо помнить при конструировании
преобразователей напряжения (и импульсных устройств вообще)

Насыщение сердечника (магнитопровода) - момент когда магнитопроводящий материал сердечника ктаушки индуктивности или трансформатора уже настолько намагничен, что более уже не оказывает влияние на процессы протекающие в катушке индуктивности или трансформаторе. При насыщении сердечника индуктивность обмоток расположенных на нём стремительно падает, а ток через первичные обмотки начинает увеличиваться, при этом максимальный ток ограничен только сопротивлением проволоки обмотки, а оно выбирается как можно меньшим, соответственно насыщение как минимум приводит к нагреву и обмоток катушки индуктивности и силового транзистора, как максимум к разрушению силового транзистора.

Работа силовых транзисторов в линейном режиме - в случае если генератор сигналов используемый для управления транзисторами выдаёт не прямоугольные импульсы, а импульсы с медленным нарастанием и спадом напряжения, что может быть если ёмкость затвора силовых транзисторов велика, а драйвер (специальный усилитель) не способен выдавать значительный ток для зарядки этой ёмкости, появляются моменты, когда транзистор находится в линейном режиме, то есть обладает неким сопротивлением отличным от нуля и бесконечно большого, в связи с чем через него течёт ток и на нём выделяется тепло ухудшая КПД преобразователя.

Специфические проблемы преобразователей напряжения с использованием трансформаторов

Явление сквозного тока

Эффект Миллера

Опять же, рассмотрим на примере полумоста - когда транзистор T1 открывается, то к транзистору T2 прикладывается напряжение, которое быстро возрастает (со скоростью открывания T1), так как это напряжение велико, то даже незначительная внутренняя ёмкость между затвором и истоком заряжаясь создаёт значительный потенциал на затворе, который открывает T2, пусть и на короткое время, но создавая сквозной ток, даже при наличии дедтайма.
Решение: применение мощных драйверов транзисторов, способных не только отдавать, но и принимать большие токи.

О чём не следует забывать?

Понижающий преобразователь с НКИ, полумост и мост - схемы, которые не так просты, как кажутся на первый взгляд, прежде всего потому, что исток транзистора в понижающем преобразователе и истоки верхних по схеме транзисторов в мосте и полумосте находятся под напряжением питания.
Как мы знаем, управляющее напряжение на затвор транзистора нужно подавать относительно его истока, для биполярных на базу относительно к эмиттера.
Решения:
Использование гальванически развязанных источников питания цепей затворов (баз):

Генератор G1 вырабатывает противофазные сигналы и формирует дедтайм, U1 и U2 драйверы полевых транзисторов, оптрон гальванически развязывает входную цепь верхнего драйвера с выходом генератора, который питается от другой обмотки трансформатора.

Применение импульсного трансформатора для гальванической развязки цепей затворов (баз):

Гальваническая развязка обеспечивается за счёт введения ещё одного импульсного трансформатора: GDT.

Есть и ещё один метод - "бустреп", но и он вам вряд ли понравится, для получения подробностей смотрите документацию к микросхеме IR2153, в частности метод получения напряжения питания для управления верхним по схемам ключевым транзистором.

Проектируя преобразователь, необходимо учитывать, что это импульсное устройство по проводникам которого текут значительные токи, которые резко изменяются и это устройство в котором создаются сильные магнитные поля - всё это создаёт благоприятную почву для возникновения целой серии помех в широком спектре.
При разводке печатных плат следует стремиться сделать все силовые проводники цепи максимально короткими и прямыми, электролитические конденсаторы шунтировать плёночными или керамическими на ёмкость 0,1 ... 1мкф в непосредственной близости от силовых элементов, для предотвращения просачивания высокочастотных помех в осветительную сеть, если устройство питается от сети, устанавливать по цепи подводки сетевого напряжения LC фильтры нижних частот.

Несмотря на множество непростых моментов, импульсные преобразователи напряжения применяются широко, а работающие на высокой частоте (десятки-сотни килогерц) обладают рядом преимуществ, так:
Высокий КПД, вплоть до 97%;
Малая масса;
Малые габариты.

Примеры конкретных схем

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.