Функцию преобразования электроэнергии в параметре напряжения могут выполнять разные приборы наподобие генераторов, зарядных и трансформаторных устройств. В той или иной степени все они способны менять характеристики энергии, но не всегда их применение себя оправдывает уже по техническим и эргономическим качествам. Отчасти это связано с тем, что задача трансформации тока для большинства регуляторов не является ключевой – во всяком случае, если говорить и о постоянном, и о переменном токе. Именно эти ограничения мотивировали производителей электротехнического оборудования разработать импульсный преобразователь, который выгодно отличается компактными размерами и точностью стабилизации напряжения.
Определение устройства
Многочисленные радиотехнические приборы, средства автоматизации и обеспечения связи редко обходятся без силовых однофазных и трехфазных аппаратов для трансформации тока в диапазонах от единиц до сотен вольт-ампер. Импульсные же устройства служат для более узких задач. Электротехнический преобразователь импульсного типа – это прибор, который трансформирует напряжение в небольших временных промежутках длительностью порядка 1-2 мк/сек. Импульсы напряжения при этом имеют прямоугольную форму и повторяются с частотой 500-20 000 Гц.
Традиционные преобразователи с возможностью регулировки напряжения на выходе обычно контролируют показатель сопротивления устройства. Это может быть тиристор или транзистор, через который в непрерывном режиме проходит ток. Именно его энергия заставляет устройство контроллера нагреваться, из-за чего теряется часть мощности. На этом фоне импульсный преобразователь напряжения выглядит привлекательнее по своим технико-эксплуатационным свойствам, так как в его конструкции предусматривается минимум частей, что обуславливает снижение электропомех. Регулировочным элементом преобразователя выступает ключ, работающий в разных режимах – например, в открытом и закрытом состоянии. И в обоих случаях выделяется минимальный объем тепловой энергии в процессе работы, что повышает и производительность аппаратуры.
Назначение преобразователя
Всюду, где требуется изменение параметров электроэнергии, в той или иной эксплуатационной конфигурации задействуются импульсные трансформаторы. На первом этапе широкого распространения их задействовали преимущественно в импульсной технике – например, в триодных генераторах, газовых лазерах, магнетронах и дифференцирующей радиоаппаратуре. Далее по мере совершенствования устройства они стали применяться и в большинстве типовых представителей электрооборудования. Причем это не обязательно была специализированная техника. Опять же, в разных исполнениях импульсный преобразователь может присутствовать и в компьютерах, и в телевизорах, в частности.
Еще одна, но уже менее известная функция трансформаторов данного типа – защитная. Сама по себе импульсная регуляция может рассматриваться как защитная мера, но цели у корректировки параметров напряжения изначально стоят другие. Тем не менее специальные модификации обеспечивают защиту аппаратуры от замыканий под нагрузкой. Это особенно касается оборудования, работающего в режимах холостого хода. Также существуют импульсные устройства, предотвращающие перегревы и чрезмерные повышения напряжения.
Конструкция прибора
Преобразователь состоит из нескольких обмоток (минимум – двух). Первая и основная подключается к сети, а вторая направляется к целевому прибору. Обмотки могут выполняться из алюминиевого или медного сплавов, но в обоих случаях, как правило, используется дополнительная лаковая изоляция. Провода наматываются на изоляционную основу, которая фиксируется на сердечнике – магнитопроводе. В низкочастотных преобразователях сердечники изготавливаются из трансформаторной стали или магнитно-мягкого сплава, а в высокочастотных – на основе феррита.
Сам низкочастотный магнитопровод формируется наборами пластин Ш, Г или П-образной формы. Ферритовые сердечники обычно выполняются цельными – такие детали присутствуют в составе сварочных инверторов и трансформаторов гальванической развязки. Маломощные высокочастотные трансформаторы и вовсе обходятся без сердечника, так как его функцию выполняет воздушная среда. Для интеграции в электротехнические приборы конструкция магнитопровода обеспечивается каркасом. Это так называемый блок импульсного преобразователя, который закрывается защитной крышкой с маркировкой и предупреждающими надписями. Если в процессе ремонта потребуется включить аппарат со снятой крышкой, эту операцию выполняют через УЗО или развязывающий трансформатор.
Если говорить о преобразователях, которые используются в современной радио- и электротехнике, то между ними и классическими трансформаторами напряжения будет существенная разница. Наиболее ощутимо снижение габаритов и массы. Импульсные устройства могут весить несколько граммов, причем эксплуатационные характеристики сохраняются на том же уровне.
Особенности эксплуатационных процессов
Как уже отмечалось, для регуляции тока в импульсных трансформаторах применяются ключи, которые сами собой могут становиться источниками высокочастотных помех. Это характерно для стабилизирующих моделей, которые работают в режиме коммутации тока.
В моменты коммутации могут возникать чувствительные перепады тока и напряжения, которые создают условия для противофазных и синфазных помех на входе и выходе. По этой причине импульсный преобразователь питания с функцией стабилизатора предусматривает использование фильтров, устраняющих помехи. Для минимизации нежелательных электромагнитных факторов коммутация ключа выполняется в моменты, когда ключ не проводит ток (при размыкании). Такой способ борьбы с помехами применяется и в резонансных преобразователях.
Еще одной особенностью рабочего процесса рассматриваемых приборов можно назвать отрицательное дифференциальное сопротивление на входе при стабилизации напряжения под нагрузкой. То есть в условиях повышения напряжения на входе ток уменьшается. Данный фактор необходимо брать во внимание для обеспечения устойчивости работы преобразователя, который подключается к источникам с высоким показателем внутреннего сопротивления.
Сравнение с линейным преобразователем
В отличие от линейных устройств, импульсные адаптеры выгодно отличаются более высокой производительностью, компактными размерами и возможностью гальванической развязки цепей на входе и выходе. Для обеспечения дополнительного функционала с привязкой сторонних приборов не требуется применение сложных схем подключения. Но есть и слабые места у импульсного преобразователя в сравнении с линейными трансформаторами. К ним относятся следующие недостатки:
- В условиях изменения входного тока или напряжения под нагрузкой отмечается нестабильность выходного сигнала.
- Наличие уже упомянутых импульсных помех на выходных и входных цепях.
- После резких изменений в параметрах напряжения и тока система дольше восстанавливается при переходных процессах.
- Риск автоколебаний, которые могут повлиять на работоспособность аппаратуры. Причем колебания такого рода связаны не с сетевой нестабильностью источника, а с конфликтами внутри стабилизационной схемы.
Преобразователь DC/DC
Все разновидности импульсных аппаратов системы DC/DC характеризуются тем, что ключи активизируются в процессе трансляции специальных импульсов в направлении транзистора. В дальнейшем по причине растущего напряжения происходит логичное запиранием транзисторов, причем на фоне перезарядки конденсатора. Именно эта особенность отличает устройство коммутации импульсных преобразователей DC-DC от аналогичных приборов в независимом инверторном оборудовании.
Обычно такие устройства выполняют контроль постоянного напряжения под нагрузкой в процессе подведения постоянного тока к сети. Достигается управление такого рода за счет регулировки напряжения на открытом ключе. Небольшие значения тока дают возможность фиксации высокого уровня производительности, при котором КПД может достигать 95 %. Установка пиковых показателей работоспособности системы является существенным плюсом импульсных преобразователей тока, однако реализация схемы DC-DC возможна далеко не в каждой конструкции. В устройстве изначально в качестве источника должна выступать контактная сеть – в частности, данный принцип используется в аккумуляторах и батарейках.
Повышающий преобразователь
С помощью этого трансформатора производится повышение напряжения от 12 до 220 В. Используют его в ситуациях, когда источник с подходящими параметрами питания отсутствует, но нужно обеспечить энергоснабжение прибора от стандартной сети. Иными словами, должен быть введен переходник от источника с одними характеристиками к потребителю с другими требованиями к питанию. Схематические конструкции импульсных преобразователей напряжения 12-220 В допускают подключение приборов, которые работают на частоте 50 Гц. Причем мощность оборудования не должна превышать максимальный силовой показатель трансформатора. И даже в случае соответствия параметров напряжения потребляющее устройство должно иметь защиту от сетевых перегрузок. У такого способа коррекции напряжения есть несколько преимуществ:
- Возможность длительного рабочего сеанса при максимальной загрузке без перерывов.
- Автоматическая регулировка выходной мощности.
- Повышенный КПД обеспечивает и стабильность рабочего режима прибора, и высокую надежность функции электротехнической цепи.
Понижающий импульсный преобразователь
При использовании низкочастотного или маломощного оборудования вполне закономерно может возникнуть и потребность в понижении показателя напряжения. Например, эта задача нередко встречается при подключении светотехнических устройств – например, светодиодной подсветки. Для понижения преобразователь замыкает регулирующий коммутационный ключ, после чего в нем накапливается «лишняя» энергия. Специальный диод в цепи не пускает ток от питающего источника к потребителю. При этом в системах самоиндукции диоды выпрямителей могут пропускать импульсы отрицательного напряжения. В работе импульсных преобразователей 24-12 В особенно важна функция стабилизации на выходе. Задействоваться могут и линейные, и непосредственно импульсные стабилизаторы. Выгоднее использовать устройства второго типа с широтной или частотной модуляцией. В первом случае будет корректироваться продолжительность контролирующих импульсов, а во втором – частота их появления. Также существуют и стабилизаторы со смешанным управлением, при котором оператор сможет при необходимости менять конфигурации регулировки импульсов по частоте и длительности.
Широтно-импульсный преобразователь
В процессе работы используется устройство, накапливающее энергию в результате трансформации. Оно может входить в базовую структуру или же подключаться напрямую к входному напряжению без привязки к преобразователю. Так или иначе, на выходе будет усредненный показатель напряжения, определяемый значением входного напряжения и скважностью импульсов от коммутационного ключа. На операционном усилителе находится специальный вычислитель, который оценивает параметры входного и выходного сигналов, регистрируя разность между ними. Если напряжение на выходе меньше опорного, то к регуляции подключается модулятор, повышающий длительность открытого состояния коммутационного ключа относительно времени действия тактового генератора. По мере изменения входного напряжения импульсный преобразователь корректирует схему управления ключом так, чтобы разность между выходным и опорным показателями напряжения сводилась к минимуму.
Заключение
В чистом виде без подключения вспомогательных устройств наподобие выпрямителей и стабилизаторов функции преобразователя значительно сужаются, хотя эффективность остается на высоком уровне. К устройствам трансформации, которые редко обходятся без дополнительного оборудования, можно отнести регуляторы в сетях переменного тока. Как минимум в этом случае придется устанавливать сглаживающий фильтр и выпрямитель на входе. И напротив, импульсные преобразователи постоянных электрических токов и на входе, и на выходе могут автономно поддерживать свою основную функцию. Но и в таких системах важно, чтобы устройство могло выполнять задачу стабилизации напряжения. Также не стоит забывать о возможных помехах при активном использовании коммутационных ключей в системе стабилизатора. В таких схемах без заземления к блоку преобразователя рекомендуется подключать помехозащитный фильтр.
