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

"Пуш-пул" - "тяни-толкай", англ. push-pull - жаргонное наименование генератора Роэра, изобретенного в 1890-х годах. Смысл схемы генератора в том, чтобы попеременно подавать питание противоположного знака на катушку или трансформатор с помощью электронного или механического ключа.

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.

Сопротивление проводов обмоток - вносит в процесс потери, так как препятствует запасанию и высвобождению энергии в магнитном поле, вызывает нагрев провода катушки индуктивности.
Решение: использование провода с минимальным сопротивлением (более толстый провод, провод из материалов обладающих малым удельным сопротивлением).

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 в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.