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开关电源 (UPS) 越来越多地用于家用和工业设备。现代 UPS 电路非常先进，其元件数量与线性电源相当，并且在许多方面超过线性 PSU。

UPS 在 220 V 交流电压（过载或相位不平衡）参数范围从 160 V 到 280 V 的网络中运行，与线性电源相比具有巨大优势。此外，高效率可以显着减少网络的能源消耗（这对低收入家庭很重要）。

开关电源分为单周期电压转换器（OPN）和推挽式。反过来，单周期转换器又分为带反向二极管连接 (OPNO) 的 PN（反激式）图 1，a 和带 OPNP 二极管直接连接（正向）图 1，b。

电路开关电源

推挽式又分为PN带半桥开关电路（图2，a）和带桥开关电路（图2，b）。

电路开关电源

根据文献[1]的分析，光伏发电的应用领域取决于负载功率（图3），而光伏发电的开启方案也不同。在进口家用设备中，最常见的是反激式 PN 电路，因为它的元件数量很少。但为了该电路的正常运行，需要高质量的元件，而乌克兰电子元件市场上没有大量的元件。低质量无线电元件的运行极大地影响了UPS的许多指标。

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让我们考虑一下具有反向二极管连接的单端电压转换器的工作原理。它们通常被称为反激式，因为在晶体管按键关闭时能量会转移到负载。图 4 显示了现代反激式 PN 的简化图。

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时间段 t0 - t1。一旦施加电源电压+Ep，电流就会流过Rogr、RD1、RD2，同时电流通过Rogr、Rd3、C1（晶体管VTk的B-E结）对C3充电（图5，a）。晶体管VTk逐渐开通t0 t1（图5，b），集电极电流IKVT出现（图5，c），流经路径：+En，Rogr，w1，晶体管VTk的E-B过渡-地。根据自感定律（绕组上的点的起点），在绕组 w2 上，会感应出与施加到 w1 的电压相同极性的电动势。自感电动势通过 VD1、Rb 加到 B-E VTk 结，晶体管解锁更多。

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请注意，负载电路中没有电流流动。集电极电路电流VTk增加直至晶体管饱和，同时w1中的电感电流从零增加到ILmax，在集电极电流变化和增长的同时，电感磁芯L被磁化，图6示出了磁滞回线。由于磁场强度与流过绕组w1的电流成正比，因此Iw1≤Hl/w，其中H为磁场强度； l是磁力线的路径长度； w为匝数，那么电感磁芯内的磁场强度也会从零逐渐增加到HIm（图6，曲线1）。

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时间段 t1 - t2。在晶体管VTk饱和时刻（注意，由于电路的设计特点，该时刻与磁芯饱和时刻并不重合），晶体管VTk的集电极电流达到最大值（所有主n-p-n 结的载流子参与）并且不会改变。在w1中，电感电流也没有变化，这意味着w2中不再感应出自感电动势。在这种情况下，VTk 被锁定。电感磁芯 L 开始消磁，磁芯的能量转移到负载，因为自感电动势在 w3 处反转极性。在这种情况下，电流通过VD3和Rn、Cf出现在w2中。由于电动势改变了符号，w2 中没有电流流动，VTk 最终闭合。 C3 已充电，VTk 无法打开。退磁电流 Im 逐渐减小 t1 t2（图 5d）。磁场强度也从A点到Br点逐渐减小（图6，曲线2）。

电容SF2快速充电，负载电流流过Rn。一旦磁场强度降到零，w3中的电流就停止，磁芯还有磁场感应Br的残余值，因此磁芯还没有完全退磁（要完全退磁，需要施加矫顽力， -Nc. 在推挽桥或半桥电路中，磁芯在电路的相反臂处被消磁并重新磁化。在计算电感器时，此功能非常重要，因为 Bm（公式中的感应幅度值）将为比表格值低 60-80%（取决于核心的质量）。

时段 t2 - t3。一旦电感磁芯退磁到剩余值Br，而磁场强度不变且为零，则w3中的电流停止流动，并且w2中的电动势符号变为相反，VTk开始打开随着基极电流的增加，集电极电流 VTk 增加，通过增加流经 w2 的电流来增加 w1 上的电动势。

晶体管 VTk 打开至饱和（图 5c），磁芯被磁化（图 6，曲线 3），在 HIm 的 A 点，感应值 BS 将对应。在计算中，使用差值 ΔB = Bs - Br 代替 Bm，即该转换器在专用磁滞环上运行。因此，在单端电压转换器中，使用具有最小Br和最大Bs（窄磁滞回线）的铁氧体。高频铁氧体中也存在类似的环路，因此许多国外公司制造了转换频率从0,1到1 MHz的转换器。转换器在这样的频率下运行需要使用高质量的射频元件（电源）。

需要注意的是，开路状态VTk的持续时间由集电极电流Ikmax的幅值、电感L和电源Ep的电压决定，而不取决于输出负载。关闭状态的持续时间直接取决于负载。因此，PN存在三种操作模式。

第一种间歇电流模式

负载电阻小（几乎短路，电容SF2来不及充电，而Rn上会观察到电压和电流纹波。

第二连续电流模式

Sf会积累足够的能量，使负载中的电流无纹波流动，电压恒定。

仅适用于 OP 的第三种模式

但是 - 空闲模式。负载微不足道或完全断开，晶体管闭合状态的持续时间增加（由于退磁电流缓慢减小），但由于变压器磁场中存储的能量没有变化，所以晶体管上的电压次级绕组，因此负载，增加到无穷大。这种模式是最危险的，因为 SF2 会因过压而爆炸。因此，在任何情况下都不应在冷模式下使用反激式电压转换器。（激光系统、闪光灯、医用高压存储设备除外）。

反激式扼流圈磁芯 PN。磁芯主要由铁氧体制成。铁氧体是三氧化二铁与一种或多种二价金属氧化物的烧结混合物[2]。铁氧体非常硬、脆，机械性能与陶瓷相似（颜色大多为深灰色或黑色）。

铁氧体的密度远小于金属磁性材料的密度，为4,5-4,9 g/cm3。铁氧体经过研磨材料的良好研磨和抛光。可以按照众所周知的技术用BF-4胶水粘合（用砂纸清洁，用汽油除油，涂胶并稍微干燥，用压力机紧紧挤压几个小时，但以免铁氧体破裂））。铁氧体是半导体并具有电子传导性。它们的电阻率（取决于品牌）范围为 10 到 10¹⁰ 欧姆 x 厘米

表1
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铁磁材料的主要特性见表1：

Bm——饱和磁感应强度，其值对应于饱和状态，即
铁磁材料的这种状态，当磁场强度改变时，磁感应强度不改变；
Br——剩余感应强度，将场强降为零时得到的值；
Нс - 矫顽力，磁场强度值，此时感应强度为零；
µ——磁导率——表示铁磁材料中的磁感应强度比空气中的磁感应强度大多少倍的系数。铁磁材料的磁导率取决于磁场强度、温度等因素；
µn——初始磁导率，由主磁化曲线的初始部分的切线斜率确定，对应于材料在弱场中的功；
tgδ是损耗角正切，表征铁磁材料中的损耗，材料的体积、磁滞回线面积和磁化反转频率越大，材料的比体积电阻（电）也越小。材料;
TKμ——温度变化1℃时的磁导率温度系数。

现代软磁铁氧体可分为几组，其电磁参数和用途各不相同。铁氧体牌号的代号中，数字对应于初始磁导率的标称值，第一个字母H表示该铁氧体为低频，第二个字母M为锰锌铁氧体，H为镍锌铁氧体；字母 HF 表示铁氧体设计用于高频工作。

6000NM、4000NM、3000NM、2000NM、1500NM、1000NM 牌号的铁氧体适用于频率高达数百 kHz 的弱场和强场。在弱磁场中，该组铁氧体用于对温度稳定性没有更高要求的情况。磁芯推荐使用前三级铁氧体，代替厚度0,1-0,02mm以下的片状坡莫合金。

2000NM1、1500NMI、1500NM2、1500NM3、1000NM3 和 700NM 牌号的铁氧体设计用于频率高达 3 MHz 的弱场和中场。它们在较宽的温度范围内具有低损耗和低 TCμ。随着对较宽温度范围内的热稳定性μ要求的提高，最好使用后三个等级的铁氧体。

2000NN、1000NN、600NN、400NN、200NN 和 100NN 牌号的铁氧体用于频率范围高达几 MHz 的弱场。前三个等级的铁氧体明显劣于相同μ值的锰锌铁氧体，但价格较便宜，因此广泛应用于对稳定性和损耗要求不高的各种设备中。其余铁氧体广泛用于电路线圈和磁性天线。

150VCh、100VCh、50VCh2、30VCh2 和 20VCh 牌号铁氧体设计用于频率高达 100 MHz 的弱场。它们的特点是在较宽的温度范围内具有低损耗和低 TKμ，因此它们最广泛地用于高频电感器以及便携式无线电接收器的天线。

300НН、200НН2、150НHI、90НН、60НН、55НН、33НН和10НН1级铁氧体的特点是在强磁场中损耗低。它们的主要用途是用于可通过偏置调谐的电路的线圈芯以及磁调制器的电路。在弱场 tanδ 和 TKμ 中，这些铁氧体的数量比 HF 组的铁氧体要多得多。软磁铁氧体的主要数据如表2所示。 SI 系统的转换单位：1 Gs-10^-4 铊。

表2
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反激式 PN 磁芯采用 U 形或 W 形磁路形式制成（图 7）。

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由于变压器充当扼流圈，因此磁芯的一侧用研磨材料锉磨（最好用金刚石锉刀）。无磁间隙在0,1…0,3mm内进行，组装时将纸板插入间隙中。表 3 和图 8 给出了最常见的 W 形磁路总体尺寸。

表3

（点击放大）

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反激式扼流圈 PN 的计算

电感器磁芯必须在小间隙中存储所需的峰值能量而不进入饱和，并且磁路中的损耗处于可接受的范围。此外，它必须容纳所需的匝数，以提供可接受的绕组损耗。我们使用众所周知的公式[3]：

Pgab = IkUk = 4fwkBmSc10^-4我知道; （一）

英国 = 4fwkBmSc10^-4, (1a)

其中Rgab是变压器的总功率W； Ik——平均集电极电流，A； Uk——施加到电感初级绕组的电压，V； f——转换频率，Hz； Bm——磁场感应强度，T（对于单周期PN Vm→Bs——Br约为表值的0,7）； Sc——磁路棒的横截面积，cm2； wk 是初级绕组的匝数。

从 (1) 可以得出初级绕组的匝数如下：

w1 = 0,25Uk10⁴/(fBmSc)。 (2)

扼流圈电感：

L = µ0 µr (w1)2 Sc/l, (3)

其中L——电感，H； µ0 = 4π10^-7 ——绝对磁导率； µr——相对磁导率； Sc——磁路截面积，m2； l 为磁力线的路径长度，m。

要粗略估计所需的核心横截面，您可以使用以下表达式：

Sc = (10...20) (P-/f)^1/2（4）

式中Pn——负载功率，W； Sc——铁芯横截面积，cm2； f——转换频率，Hz。

利用公式（2）和（4），并分析表2中的数据，我们得出铁芯的总体尺寸和初级绕组的匝数。对于次级和其他绕组 wн = w1 Uk/Uн，其中 Un 是负载电压。

对于励磁绕组w2（见图4），建议电压约为5V。线径

d = 1,13 (I/j)^1/2（5）

式中d——钢丝直径，mm； I——绕组中的平均电流，A； j 是绕组中的电流密度（建议 2,5...5 A/mm2），对于内部绕组，电流密度应最低。

为了检查计算结果，我们计算每个绕组所占的面积并进行总结，同时必须满足不等式：

Sok = w1d1 + w2d2 + w3d3 + ... + wndn + hz, (6)

其中 Sok 是窗口面积的表格值，cm2； wn 绕组匝数 n； dn为绕组n中导线的直径； hz 是框架和绕组绝缘层的总厚度。

缠绕变压器绕组的框架由塑料压制而成，由电工纸板胶合或由层状纺织纤维、纸板或电工纸板制成的单独部件组装而成，尺寸较小，可以使用任何纸板。纸板框架的标准制造在文献[4]中有详细描述，针对小功率变压器，作者提出了第二种制造变压器的方法（图9）。它由三个空格组成。套筒由纸板制成（图9，b），稍微切割工件的线条1，然后将其折叠成平行六面体，并用薄纸沿轮廓2粘合边缘3。

毛坯（图9，a）的数量为2 件。同时，切出核心 1，并用注射器沿边缘磨尖的针刺穿 D0,3 mm 的孔，然后对它们进行编号（在框架的上半部分为 H1、H2、H3、...）。 ...，下半部分为 K1、K2、K3 、...）。框架的上半部分和下半部分用薄纸粘在套筒上，并将该结构放在重物下几个小时。框架上的绕组的绕制与[4]类似，按以下顺序Wcontrol、W1、Wload（对于实验选项，Wcontrol可以是最后一个）。

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装配

铁氧体棒插入带有缠绕绕组的框架中。首先，将一块 0,2 毫米厚的方形纸板粘在其中一个芯上以填充间隙。从铜箔一侧组装磁芯后，在磁芯周围制作绷带，拉伸并焊接。

关键晶体管的特点

由于晶体管VTk集电极的负载是一个电感为L的扼流圈，那么在锁定VTk的瞬间，其集电极上会出现电压浪涌（图10，a，曲线1）。集电极电流的降低不会立即发生，而是在集电极-发射极结的少数载流子吸收期间发生（图10b）。由于电感 L 和集电极-发射极结电容的存在，集电极电压呈正弦变化。结果，VTk在K-E结处熄灭了大量能量，这些能量转化为热量。因此，VTk 可能会过热并发生故障。

为了防止这种影响，使用 RCD 电路（图 3，a），相对于集电极电流下降 tsp 的开始，在集电极电压（曲线 2）增加的前端创建一个时间延迟 t10（图 11，a）。 . 1). 当VT关断时，流经电感漏感的电流通过Vddf对阻尼电容Сdf充电。 VTk解锁后，Sdf通过Rp和K-E VTk放电。该电路可以实现集电极结消耗的瞬时功率任意小值[XNUMX]。然而，减少该功率的愿望会导致 Sdf 中累积的能量增加，它是寄生的，会从有用功率中夺走。

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当负载使用大功率时，为了转换器的正常工作，需要进行特殊的晶体管开关模式。让我们考虑两个瞬态过程。

OE导通n-p-n晶体管的过渡过程，当将正基极电流跳跃设置为其输入时（图 12）[5]。

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在初始导通阶段，集电极电流较小，而b值较小，晶体管的差分输入电阻较大。因此，我们可以假设基极电流对发射极的输入电容进行充电，同时发射极的电压从零变化到某个值Ueo，对应于晶体管的导通状态。对于硅晶体管，Ueo = 0,7 V。第一个导通阶段有一个延迟时间 t3（图 13b）。在下一阶段 - 集电极电流增加 - 基极电流进入基极中电荷载流子的积累。

如果瞬态过程中集电极电路中存在电阻Rk，则集电极结处的电压发生变化，势垒电容Sk被重新充电，从而增加了瞬态过程的持续时间（图13，c）tнр。当晶体管工作在按键模式时，向其输入端提供解锁基极电流，该电流大于晶体管的饱和电流Ibn=Ikn/β。该电流对应于基极中电子的边界电荷 Qgr = Ibn τ。

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负基极电流脉冲关断晶体管的过程 Ib = - Ib2。在时间 t2 处（图 13，a），基极电流突然减小值 ΔIb = Ib1 + Ib2。

基极中空穴的多余电荷减少有两个原因：由于空穴与电子的复合以及空穴从基极通过基极移至外电路。类似地，由于电中性，少数载流子（电子）的多余电荷在数值上等于空穴的电荷。集电极电流的变化在一定时间trac（基极中多余电荷的消散时间）后开始。再吸收时间随着基极Ib1的开通电流的增加而增加，并随着基极Ib2的阻断电流的增加而减少。

再吸收阶段之后是集电极电流负前沿的形成阶段，其持续时间称为集电极电流的衰减时间tsp，并且也随着Ib2的增加而减小。然而，应该记住，即使强制开启 tnr 和关闭 tsp 也有物理限制，即这些时间不能小于电子穿过底座的飞行时间。

参考文献：

谢尔盖耶夫 B.S. 二次电源功能单元的电路设计。 - M.：无线电和通信，1992 年。
捷列舒克 R.M. 等小型无线电设备。参考。业余无线电爱好者。 - K.：瑙克。想，1972。
Zhuravlev A.A.、Mazel K.B. 晶体管上的直流电压转换器。-M .：能源，1972 年。
普伦斯基 I.N. 简易焊接半自动装置 // Radioamator-1999.-№7。
Tugov N.M., Glebov B.A. 半导体器件。 - M.：Energoatomizdat，1990。

作者：A.V.克拉夫琴科

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