В данной статье проведен анализ маломощного стабилизатора тока, построенного по схеме обратноходового преобразователя. Предложена методика и пример расчета трансформатора для заряда емкости. Проведено имитационное моделирование стабилизатора тока с рассчитанными параметрами трансформатора.
Ключевые слова: обратноходовой стабилизатор тока, трансформатор, полевой транзистор, напряжение пробоя, режим прерывистых токов, емкость.
На сегодняшний день на рынке полевых транзисторов появляется много подделок. Измерение пробивного напряжения полевых транзисторов, является наиболее точным методом выявления поддельных компонентов. И вообще проверить работоспособность полевого транзистора иногда можно проверить только померив его напряжение пробоя. Для определения напряжения пробоя нужен высоковольтный преобразователь со стабилизацией лавинного тока и вольтметр [5]. В качестве высоковольтного стабилизатора тока удобно использовать обратноходовой преобразователь, работающий на заряд накопительной емкости. Емкость на начальном этапе представляет собой короткое замыкание, а обратноходовой преобразователь не чувствителен к короткому замыканию нагрузки из-за того, что разнесены во времени фазы накопления энергии и отдачи ее в нагрузку. Целью исследования является выявление наиболее удобного метода расчета накопительного дросселя для стабилизатора тока, построенного по схеме обратноходового преобразователя.
Упрощенная схема обратноходового преобразователя представлена на рис. 1.
Рис. 1. Обратноходовой преобразователь
Данный преобразователь работает в режиме прерывистых токов (РПТ) с частотой управляющих импульсов 
кГц и с коэффициентом заполнения 
. Выбор коэффициента заполнения обусловлен тем, что при нем, сердечником трансформатора отдается в нагрузку наибольшая энергия. Стабилизация обеспечивается датчиком тока R2. Защитный диод-супрессор обеспечивает ограничение выходного напряжения. В открытом состоянии ключевого транзистора сердечник дросселя обратноходового преобразователя накапливает энергию. При закрытом состоянии ключевого транзистора происходит переполюсовка вторичной обмотки, и энергия отдается в нагрузку. При расчете трансформатора обратноходового преобразователя достаточно найти индуктивность и ток первичной обмотки. Так как трансформатор обратноходового преобразователя представляет собой двухобмоточной накопительный дроссель, то индуктивность первичной обмотки можно найти по формуле:
|
|
(1) |
где 
— пиковый ток первичной обмотки, а 
— ширина управляющего импульса (рис. 2).
Рис. 2. Ток дросселя обратноходового преобразователя в РПТ
В качестве примера приведен расчет дросселя для емкости 100 нФ. Исходные данные для расчета обратноходового накопительного дросселя приведены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные
|
Параметр |
Значение |
|
Входное напряжение, Uвх |
12 В |
|
Выходное напряжение, Uвых |
610 В |
|
Емкость конденсатора, С |
100 нФ |
|
Коэффициент заполнения, |
0,8 |
|
Рабочая частота, f |
100 кГц |
|
Время заряда, t |
10 мс |
|
Ширина импульса, |
8 мкс |
|
КПД, η |
0,8 |
На первом этапе нужно определить энергию, необходимую для заряда конденсатора:
|
|
(2) |
Конденсатор заряжается с течением времени, небольшими «квантами» энергии, нужное количество которых определяется:
|
|
(3) |
Энергия данного кванта определяется как отношение энергии, необходимой, для заряда емкости и количества квантов энергии:
|
|
(4) |
На следующем этапе вычисляется энергия кванта с учетом потерь:
|
|
(5) |
Она равна энергии, которая запасается в сердечнике дросселя с приходом управляющего импульса:
|
|
(6) |
Теперь можно найти ток первичной обмотки, для этого необходимо выразить из формулы (6) индуктивность:
|
|
(7) |
Приравнять формулу (7) и (1) и выразить ток, который после математических преобразований равен Ip=0,521 А. Для проверки можно подставить значение этого тока в формулы (1) и (7) и найти индуктивность L1=161 мкГн. [6]. Индуктивность вторичной обмотки можно найти через коэффициент трансформации:
|
|
(8) |
Соответственно индуктивность вторичной обмотки L2=76,5 мГн.
Модель обратноходового стабилизатора тока представлена на рис. 3.
Рис. 3. Модель обратноходового стабилизатора тока
Преобразователь построен на ШИМ контроллере UC3843 с максимальным коэффициентом заполнения 
→1. Выпрямительный диод в цепи вторичной обмотки должен быть высокоскоростной и обладать низкой емкостью p-n перехода. На рис. 4 представлены графики напряжений и токов преобразователя.
a)
б)
в)
Рис. 4. Графики напряжения на ключевом транзисторе (а), выходного напряжения (б), выходного тока (в).
Видно, что ток стабилизируется на уровне 250 мкА при достижении максимального выходного напряжения. Напряжение на ключевом транзисторе не сильно превышает напряжения питания, следовательно, можно обойтись без демпфирующих цепей, в связи с наличием транзисторов с напряжением сток-исток много большим 12 В.
Вывод
В ходе исследования был выявлен алгоритм расчета трансформатора обратноходового стабилизатора тока. Проведено имитационное моделирование, которое показало работоспособность метода расчета, для выполнения задачи по разработке тестера напряжения пробоя полевых транзисторов.
Литература:
- Амелина, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Сap. Версии 9, 10 [Электронный ресурс]: учеб. пособие / М. А. Амелина, С. А. Амелин. — Электрон. текстовые дан. — СПб.: Лань, 2014. — 632 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/53665
- Браун М. Источники питания расчет и конструирование.: Пер. с англ. — К.: МК-Пресс, 2007. — 288 с.
- Семенов, Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б. Ю. Семенов. — М. Режим доступа: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. — 416 с.: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=117706
- AN-957. Measuring HEXFET MOSFET Characteristics // Infineon — Режим доступа: https://www.infineon.com/dgdl/an-957.pdf?fileId=5546d462533600a40153559f0dfc11dc
- Creel, K. Transformer design for charging defibrillator capacitors // Datatronics — http://www.datatronics.com/pdf/transformer_design_for_charging_defibrillator_capacitors.pdf
