Простой двухтактный преобразователь с трансформатором


Понадобилась схема преобразователя с самовозбуждением, чтобы получить простейшим способом изолированный гальванически источник питания +/-15 В и 5 В. Поэтому была сделана попытка произвести расчеты, собрать прототип преобразователя, проверить, насколько расчеты совпадают с реальностью, да и вообще передать опыт запуска и проверки работы подобного преобразователя.

Схема принципиальная

Предполагалось что питание генератора будет стабилизированным между 20 и 35 В, рабочая частота около 20 кГц, это будет преобразователь с сердечником, входящим в насыщение. Схема эта является разновидностью генератора Ройера и используется для генерации переменного напряжения для питания ламп CCFL в мониторах телевизорах. Они также использовались в магнитофонах в качестве генераторов фона и стирания головок. Вместо броневого сердечника можно использовать ферритовый типа ETD или даже готовый трансформатор, например от блока питания ATX.

Выбран броневой сердечник P26/16 из материала F-830. Схема на рисунке ниже. Концы и начала обмоток к базам транзисторов можно поменять местами, это должно помочь если преобразователь не хочет запускаться.

При выбранной рабочей частоте (20 кГц) и напряжении питания 35 В, рассчитали количество витков из соотношения N=Vin/(4*f*Bmax*Ae), где:

  • N – количество витков,
  • Vin – входное напряжение [В],
  • f – частота [Гц],
  • Bmax – максимальная индукция сердечника, при которой он насыщается, для выбранного сердечника принято 0,45 Тл,
  • Ае – сечение сердечника, взятое из примечания документации этого сердечника.

После подстановки данных в формулу получилось 10,5 витков. Принимаем 10 свитков. Число витков обмотки, управляющей базами транзисторов, следует выбирать чтобы оно не превышало максимальное напряжение перехода база-эмиттер. Намотан 1 виток, который дает 3,5 В при питании 35 В.

Вторичная обмотка должна быть намотана по соотношению U1/U2 = Z1/Z2, выходное напряжение должно быть выбрано для конкретного применения. Для проверки намотали 3 витка, что дает переменный меандр с амплитудой около +/- 10 В. Диаметр провода для намотки – 0,35 мм.

Затем рассчитали значение тока, при котором происходит насыщение сердечника из соотношения H*L = I*z, где:

  • H – напряженность магнитного поля [А/м]
  • L – длина пути потока [м],
  • z – количество витков.

То есть I = H*L/z. Из характеристик намагничивания сердечника знаем, что насыщение сердечника происходит при Н = 400 А/м. Подставив в соотношение I = H*L/z, получили ток около 1,5 А.

Резисторы в базах транзисторов подобраны так чтобы ток, протекающий в коллекторе, был больше или равен 1,5 А. Отсюда R = (U-1)*h21e min/ Icnas

  • 1 – в формуле UBE падение напряжения,
  • U – напряжение обмотки управления в данном случае 3,5 В,
  • Icnas – ток при котором происходит насыщение сердечника.

Ток базы транзисторов должен быть ниже максимального тока базы для Bd139 который составляет 100 мА, транзистор h21e = 40-160. После подстановки в соотношение R = (U-1)*h21e min/Icnas получили 66 и выбрали резистор на 51 Ом.

При напряжении обмотки управления 3,5 В среднее значение Ib = ((Uster-Ube)/Rb)/2 составит около 25 мА.

Резистор R1 служит для обеспечения запуска преобразователя, предположим что тока в 2 мА должно хватить, отсюда значение 15 кОм, и с этим значением инвертор запускается каждый раз.

После включения частота преобразователя изменялась в зависимости от величины нагрузки и изменения напряжения питания. Частота преобразователя без нагрузки при 30 В составляла около 29 кГц, при 24 В – 23 кГц и при 12 кГц – 15 кГц, при увеличении напряжения частота увеличивается, что легко объясняется тем, что при меньшем напряжении току требуется больше времени чтобы достичь значения насыщения сердечника.

После включения питания всё работало на удивление прилично. Выше осциллограммы, полученные на базах и коллекторах транзисторов.

Проверили работу преобразователя с подключенным резистором 100 Ом на вторичную обмотку, который служил нагрузкой. При изменении напряжения питания преобразователь работал в диапазоне от 3 до 30 В, естественно при больших изменениях частоты, соответственно от 50 кГц (30 В) до 80 кГц (3 В). Неожиданно, что преобразователь работает в таком широком диапазоне.

Таким образом, описываемый преобразователь – дешевая и простая альтернатива драйверам питания с микросхемами, где нужна гальваническая развязка и малая нагрузка.