Обратноходовой преобразователь

Обратноходово́й преобразова́тель (англ. flyback converter) — разновидность импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей.

Принцип работы

Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель^[1] (который иногда называют трансформатором, хотя происходящие здесь и в трансформаторе процессы имеют существенные отличия).

Различают два основных этапа работы схемы: передача энергии от первичного источника питания в дроссель и передача энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

При замыкании ключа к первичной обмотке дросселя прикладывается напряжение источника питания. В дросселе начинают почти линейно нарастать ток в первичной обмотке и магнитный поток в магнитопроводе, а следовательно, накапливается энергия. В качестве ключа обычно выступает транзистор. Наведённая на вторичной обмотке ЭДС запирает диод, и ток во вторичной обмотке отсутствует. При размыкании ключа ток в первичной обмотке пропадает, но магнитный поток в дросселе не может измениться мгновенно, поэтому во вторичной обмотке начинает протекать почти линейно спадающий ток, отпирающий диод. Этот ток заряжает конденсатор и поступает в нагрузку. На первом этапе нагрузка питается только за счет энергии, полученной конденсатором во время второго этапа. Частота повторения этапов обычно находится в интервале от 20 кГц до 1 МГц^[2].

Регулирование выходного напряжения осуществляется за счёт изменения длительности импульсов тока в первичной обмотке. В цепи обратной связи (на схемах не показана), в устройстве управления ключом, может использоваться широтно-импульсная модуляция (ШИМ) или частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)^[2].

Некоторые микросхемы для таких преобразователей не имеют полноценного широтно-импульсного модулятора (ШИМ — когда для изменения выходного напряжения изменяется длительность импульса от 50…70 % до 0) и работают в «старт-стопном» режиме. То есть микросхема постоянно работает с максимальной мощностью, если напряжение повысилось выше порога переключения — микросхема отключается и перестаёт «закачивать» импульсы в трансформатор до тех пор, пока оно не понизится, после чего снова начинает работать с максимальной мощностью. Такой режим работы, по сравнению с ШИМ, создаёт много помех, выходное напряжение сильно пульсирует, увеличивается нагрузка на сглаживающий конденсатор, силовой транзистор, выпрямительные диоды, но для заряда аккумуляторов, питания цифровых схем это несущественно.

Применение

Обратноходовые преобразователи нашли широкое применение в качестве источников питания различной аппаратуры мощностью до 200 Вт: телевизоров, аудио- и видеоаппаратуры, периферийных устройств компьютерной техники и самих компьютеров.

Применяются в энергосберегающих лампах и светодиодных лампах, кроме самых дешевых схем с линейными драйверами.

Также применяются в зарядных устройствах мобильных телефонов и ноутбуков.

На базе обратноходовых преобразователей любители изготавливают и инверторные источники сварочного тока, так как нагрузочная характеристика обратноходового преобразователя резкопадающая, что оптимально с точки зрения стабилизации дуги. Но такие преобразователи характеризуются большими габаритами по сравнению с прямоходовыми и двухтактными, поэтому не выпускаются серийно.

Широкое распространение обратноходовых преобразователей привело к появлению на мировом рынке электронных компонентов специальных микросхем, обеспечивающих построение обратноходовых преобразователей с минимальным количеством внешних элементов (например микросхемы серии TOPSwitch).

Преимущества и недостатки

Преимущества обратноходовых преобразователей:

существенно меньшие габариты и вес по сравнению с источниками питания, содержащими трансформатор на частоту 50 Гц;
значительно меньшее использование дорогостоящих материалов (меди)
нечувствительность обратноходового преобразователя к короткому замыканию нагрузки;
возможность регулирования выходного напряжения в широких пределах, а также поддержание требуемого выходного напряжения в условиях изменения напряжения питающей сети;

В связи с тем, что в обратноходовом преобразователе накопительный дроссель подключён к первичной сети и к нагрузке в различные моменты времени, передача помех из сети в нагрузку и назад исключена, что тоже является достоинством обратноходового преобразователя.

Недостатки обратноходовых преобразователей:

мощность ограничена энергией, запасаемой дросселем (на практике — не более 200 Вт);
повышенный уровень электромагнитных помех, создаваемых как в питающей сети, так и в нагрузке;
бо́льшие по сравнению с другими импульсными преобразователями габариты при той же мощности.
такой ИИП не работает на холостом ходу (то есть без подключенной нагрузки) поэтому в современных микросхемах-контроллерах предусмотрена функция автоматического отключения преобразователя при снижении нагрузки.