Преобразователь выполнен на основе насыщающегося трансформатора. Схема преобразователя взята из [1]:

Преобразователь выполнен на двух pnp транзисторах 2N4403BU. Для трансформатора использовано феритовое кольцо R10x6.x4. Коллекторная обмотка \(\omega _{k}\) состоит из двух половин по 13 витков, базовая \(\omega _{b}\) по 10 витков и выходная обмотка \(\omega _{out}\) из двух половин по 21 витку провода ПЭЛШО 0,125. Выходной ток \(I_{out}=15\) (мА). Диодный мост собран из 4 диодов 1N4148 с максимальным прямым напряжением \(U_{forward}=1\) (В).

Ток коллектора максимальный \(I_{kmax}=I_{out}U_{out}/U_{in} \acute{\eta}\), где \(\acute{\eta}\) - КПД преобразователя. \(I_{kmax}= 0.015 \cdot 15 /\left(5 \cdot 0.8 \right)=0.05625\) (А)

Напряжение коллектор-эмиттер, макисмальное \(U_{kemax}=1.2 \cdot 2 \cdot U_{in}=1.2 \cdot 2 \cdot 5=12\) (В).

\(R2=\frac{3.5 h_{21e}}{I_{k}\kappa_{sat}}=\frac{3.5 \cdot 100}{0.05625\cdot 2}=3111\approx 3000\) (Ом).

\(R1=\frac{U_{in}-U_{R2}}{U_{R2}/R2}=\frac{5-1}{1/3000}=12000\) (Ом).

Для данного магнитопровода внешний диаметр \(D=1\) (см), внутренний диаметр \(d=0.6\)( см), толщина стержня магнитопровода \(a=(D-d)/2=(1-0.6)/2=0.2\) (см), ширина кольца \(b=0.4\) (см). Площадь стержня магнитопровода \(S_{c}=a\cdot b=0.2\cdot 0.4=0.08\) (cm²). Площадь окна магнитопровода \(S_{o}=\pi \cdot d^{2}/4=3.14159\cdot 0.6^{2}/4=0.2827\) (cm²).

Габаритная мощность трансформатора \(P_{g}=2S_{c}S_{o}f_{p}B_{s}J\eta k_{c}k_{o}\sigma/100\) (Вт), где \(f_{p}\) - частота преобразователя (Гц), \(B_{s}\) - индукция насыщения материала магнитопровода (Тл), \(\eta \) - КПД трансформатора, \(J\) - плотность тока в обмотках трансформатора (А/мм²), \(k_{c}\) - коэффициент заполнения магнитопровода материалом, \(k_{o}\) - коэффициент заполненния окна обмоткой, \(\sigma \) - число стержней магнитопровода. \(P_{g}=2\cdot 0.08 \cdot 0.2827 \cdot 30000 \cdot 0.49 \cdot 3.5 \cdot 0.85 \cdot 0.8 \cdot 0.25 \cdot 1 /100 = 3.957\) (Вт). Расчетная габаритная мощность по мостовой схеме выпрямления определяется выраженнием \(\acute{P_{g}}=1.3U_{out}I_{out}=1.3\cdot15\cdot0.015=0.2925\) (Вт) должна быть меньше \(P_{g}\).

Число витков половины коллекторной обмотки \(0.5 \omega _{k}=\frac{\left( U_{in}-U_{kesat} \right)\cdot 10^{4}}{4f_{p}B_{s}S_{c}k_{c}}=\frac{\left(5-0.4 \right)\cdot10^{4}}{4\cdot 30000 \cdot 0.49 \cdot 0.08 \cdot 0.8} = 12.2 \approx 13\).

Число витков половины базовой обмотки \(0.5 \omega _{b}=0.5 \omega _{k}\frac{3.5}{U_{in}-U_{kesat}}=13\frac{3.5}{5-0.4}=9.89\approx 10\).

Число витков выходной обмотки \(0.5\omega _{out}=0.5\omega _{k}\frac{U_{out}}{U_{in}-U_{kesat}}=13\frac{7.5}{5-0.4}=21,20\approx 21\).

При увеличении нагрузки, т. е. увеличении тока вторичной обмотки \(i_{2}\) увеличивается падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки и частота уменьшается. При коротком замыкании на выходе транзисторы \(VT_{1}\), \(VT_{2}\) выходят из режима насыщения и генерация срывается. При устранении короткого замыкания схема легко возбуждается, т. е. данная схема преобразователя нечувствительна к коротким замыканиям.

Действующее значение тока в коллекторной обмотке определяется следующим образом \(I_{k}=\frac{I_{kmax}}{\sqrt{2}}=\frac{0.05625}{\sqrt{2}}=0.03977\) (А).

Действующее значение тока в базовой обмотке определяется следующим образом \(I_{b}=I_{k}\kappa _{sat}/h_{21e}=0.03977\cdot2/100=0.0007955\) (А).

Диаметр проводов обмоток трансформатора определяется в соответствии с выражением \(d=1.13\sqrt{I/J}\) (мм). Соответственно, диаметр провода коллекторной обмотки \(d_{k}=1.13\sqrt{I_{k}/J}=1.13\sqrt{0.03977/3.5}=0.12\) (мм), \(d_{b}=1.13\sqrt{I_{b}/J}=1.13\sqrt{0.0007955/3.5}=0.0170\) (мм), и \(d_{out}=1.13\sqrt{I_{out}/J}=1.13\sqrt{0.015/3.5}=0.07398\) (мм). Для всех обмоток выбираем провод диаметром 0.125 (мм).

Проверка выбранного транзистора по тепловому режиму производится следующим образом:

• Определяется максимально допустима мощность при максимальной температуре по формуле \(P_{kmax}=P_{kmax}\frac{T_{Kmax}-T_{env}}{T_{Kmax}-25^{o}}=0.625\frac{125-45}{125-25}=0.505\) (Вт).
• Определяется среднее значение мощности транзистора \(P_{avg}=P_{k cutoff} + P_{k sat} + P_{k act}\), где \(P_{k cutoff}\) - мощность, рассеиваемая в области отсечки, \(P_{k cutoff}\approx 0\); \(P_{k sat}=0.5I_{kmax}\left|U_{kesat} \right|=0.5\cdot 0.05625\cdot 0.4=0.01125\) (Вт); \(P_{k act}\) - мощность, рассеиваемая в активной области, при возрастании тока коллектора от 0 до \(I_{kmax}\), $$P_{k act}=\frac{1.2U_{in}^{2}f_{p}\tau_{h21e}}{\acute{R_{out}}},$$ в которой \(\tau_{h_{21e}}=h_{21e}/2\pi f_{h_{21b}}\); \(\acute{R_{out}}=\frac{U_{out}}{I_{out}}\left( 0.5\omega _{k}/ 0.5\omega _{out}\right)^{2}\). В нашем случае \(\tau_{h_{21e}}=100/2\pi \cdot 200=0.07958\) (мкс), \(\acute{R_{out}}=\frac{7.5}{0.015}\left( 13 / 21 \right)^{2}=95.80\) (Ом).

  Таким образом \(P_{avg}\approx P_{k sat} + P_{k act}=0.01125+\frac{1.2\cdot 5^{2} \cdot 30 \cdot 10^{3} \cdot 0.07958 \cdot 10^{-6}}{95.80}=0.01125+0.0007476=0.01200\) (Вт).

• Сравниваем полученные значения \(P_{kmax}\) и \(P_{avg}\), причем необходимо \(P_{kmax} > P_{avg}\). В нашем случае \(0.505 > 0.01200\).

Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра:

• Выбор типа диодов производится по значению прямого среднего тока \(I_{avg} = 0.5 I_{out}\) и значению обратного напряжения \(U_{back} = 3 U_{out}\) (двухполупериодная схема с выводом средней точки). В нашем случае \(I_{avg} = 0.5 \cdot 0.015 = 0.0075\) (А); \(U_{back} = 3 \cdot 7.5 = 22.5\) (В).
• \(C_{2}=\frac{1.5I_{out}\cdot 10^{6}}{f_{p}U_{out}K_{pulse}%}=\frac{1.5\cdot 0.015 \cdot 10^{6}}{30\cdot10^{3}\cdot 7.5 \cdot 3}=0.0083\) (мкФ).

Если транзисторы на собранном преобразователе сильно нагреваются при работе, или нет напряжения на выходе, проверьте полярность подключения базовых или коллекторных обмоток. Эпюры напряжений на базах транзисторах при неверном и верном подключении обмоток показаны на рис. 2 и рис. 3 соответственно:

Другой наладки преобразователь не требует и начинает работать сразу. По рис.3 можно оценить рабочую частоту преобразователя \(f_{p}=\frac{1}{6.5 \cdot 5}=30.1\) (КГц). Напряжение на выходе будет составлять \(\pm\left(U_{out}-U_{forward} \right)=\pm(7.5-1)=\pm 6.5\) (В).

1. Сукорцев П. Преобразователь питания для плейера. - Радио, 1992, №7, стр.38.

2. Артамонов Б. И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоустройств. М.: Энергоиздат, 1982, 296с.