Принцип работы и неисправности преобразователей напряжения в блоках питания

Повышение частоты преобразования приводит к существенному уменьшению массы силового трансформатора. Например, для трансформаторов с выходной мощностью 250 Вт при увеличении частоты преобразования с 1 до 100 кГц масса уменьшается примерно в 100 раз.

Двухтактные транзисторные преобразователи напряжения в блоках питания

Содержат два (четыре) транзисторных ключа и силовой трансформатор. Если от преобразователя требуется постоянное напряжение, то на его выходе включается выпрямитель, обычно двухполупериодный или мостовой.

На рисунке 2 показаны упрощенные принципиальные схемы двухтактных преобразователей (цепи без транзисторов на рис. 2,в не показаны). В преобразователях цепь смещения R_б и R_с иногда делают общей для двух транзисторов (R_б включают между средней точкой базовых обмоток и эмиттерами транзисторов).

Рис. 2. Схемы двухтактных преобразователей с самовозбуждением:
a) с параллельным включением плеч по постоянному току; б) с последовательным включением плеч (полумостовая); в) мостовая

В зависимости от того, откуда поступают сигналы управления транзисторами, различают три вида преобразователей: в самовозбуждающихся преобразователях с насыщенным силовым трансформатором напряжение снимается с обмоток ω_y, размещенных на силовом трансформаторе Т; в самовозбуждающемся преобразователе с ненасыщенным силовым трансформатором обмотки ω_y размещаются на отдельном маломощном трансформаторе, одна из обмоток которого подключена к какой-либо обмотке силового трансформатора Т; в преобразователе с независимым возбуждением базовые цепи ключевых транзисторов связаны через трансформатор с отдельным маломощным генератором возбуждения.

Независимо от схемы и способа возбуждения осциллограммы напряжений и токов в двухтактных преобразователях (рисунок 2) имеют один и тот же вид, приведенный на рисунке 3 (показаны токи и напряжения для одного плеча). В исправном преобразователе интервалы t₁ t₂ и t₂ t₃ практически равны; разница их не превышает 2—3%, поэтому ее трудно увидеть на экране осциллографа.

Амплитуда напряжения коллектор — эмиттер примерно вдвое превышает напряжение питания для схемы на рис. 2а) и примерно равна напряжению питания для схем на рис. 2в).

В интервале t₁ t₂ транзистор заперт, а в интервале t₂ t₃ транзистор открыт и насыщен. Ток коллектора представляет собой сумму трансформированного тока нагрузки (I_н на рис. 3) и тока намагничивания трансформатора, который меняется по линейному закону, чем объясняется наклон вершины импульса коллекторного тока. Форма импульса коллекторного тока на рис. 3 соответствует чисто активной нагрузке, для которой I_н почти постоянен; для нагрузки, имеющей реактивную составляющую, например выпрямитель с фильтром, I_н может меняться в течение полупериода и соответственно график I_к(t) будет иметь другой вид.

Рис. 3. Диаграммы напряжений и токов с одного плеча преобразователя

Выбросы напряжения базы и отрицательный выброс тока базы (показаны на рис. 3 штрихом) появляются в тех случаях, когда для формирования включения и выключения транзисторов в базовые цепи вводят ускоряющие конденсаторы (С_б на рис. 2). Положительный выброс тока базы в моменты t₁ и t₃ вызван, зарядом, накопленным в базе транзистора, и может быть мал при достаточно быстродействующем транзисторе. Обычно выбросы заметны, если применяются сплавные транзисторы (например, транзисторы отечественного производства П214—П217, П4 или их зарубежные аналоги).

Колебания напряжения U_кэ после моментов t₁ и t₃ и (показаны на рис. 3 штрихом) могут наблюдаться в схеме на рис. 2,а, если у контура, образованного паразитной емкостью коллекторного узла и индуктивностью рассеяния первичной обмотки трансформатора Т, добротность больше единицы.

Неисправности двухтактных преобразователей напряжения

Очень большой потребляемый ток (сгорание предохранителя, если он есть) вызывается коротким замыканием коллектор — база или коллектор — эмиттер в одном из транзисторов (см. рис. 2,а) или двух транзисторах (см. рис. 2,6 и в). В преобразователе с независимым возбуждением то же самое будет наблюдаться при коротких замыканиях в нагрузке, диодах выпрямителя, трансформаторе.

Отсутствие генерации в преобразователе с самовозбуждением возможно при замыкании в нагрузке, пробое диода выпрямителя или при междувитковом замыкании в трансформаторе.

Жесткое возбуждение в преобразователе с самовозбуждением (для запуска нужен внешний толчок, например касание отверткой и т. п.) указывает на обрыв в одном из RC.

Несимметричный режим в схемах на рисунке 2,а и в - разница форм полуволн U_KЭ (t), заметная на экране осциллографа, может наблюдаться при обрыве цепи любого электрода при коротком замыкании база - эмиттер одного из транзисторов, а также при обрыве одного из диодов выпрямителя.

Асимметрия выходного напряжения в схеме на рис. 2,6, сопровождающаяся понижением выходного напряжения, будет наблюдаться при обрыве одного из диодов выходного выпрямителя, если этот выпрямитель один.

Если к выходу преобразователя подключено несколько выпрямителей, то при обрыве диода в одном из них на его выходе напряжение понизится, а на выходе других выпрямителей — повысится, и также появится асимметрия формы напряжения на первичной обмотке. Степень проявления всех этих признаков зависит от того, какую долю мощности потребляет неисправный выпрямитель. Хороший индикатор исправности преобразователя, выполненного по схеме, изображенной на рисунке 2,6, — это значение напряжения в общей точке конденсаторов С1 и С2: в исправном устройстве она равна половине напряжения источника питания с точностью до долей вольта.