Wysokonapięciowa przetwornica typu flyback, jako zasilacz do lamp Nixie

Autor prezentowanego układu zbudował wcześniej zegar, który jako wyświetlacza używał lamp Nixie. W związku z tym konieczne było dostarczenie wysokiego napięcia zasilającego. Autor chciał jednak uniknąć konieczności umieszczania w obudowie zegara dużego i nieporęcznego transformatora, zamiast tego postanowił wykonać osobną przetwornicę podwyższającą napięcie, która będzie w stanie wygenerować napięcie 180V konieczne do zasilenia lampy Nixie.


Na początek rozważmy bardzo prosty układ, składający się z baterii o napięciu U połączonej z cewką o indukcji L oraz opornikiem o rezystancji R (Ilustracja 1). W momencie podłączenia baterii do cewki prąd nie zmienia się natychmiast od zera do wartości maksymalnej (zgodnie z prawem Ohma U/R). Zapobiega temu pewna zasada dotycząca elementów indukcyjnych, czyli prawo Faradaya. Zamiast tego będą miały miejsce następujące zjawiska. Kiedy prąd wzrośnie w czasie, nastąpi przepływ strumienia magnetycznego proporcjonalnego do wartości, o jaką wzrósł prąd. Pojawiający się strumień magnetyczny spowoduje indukowanie się w cewce siły elektromotorycznej (SEM), który przeciwstawia się dalszym zmianom strumienia magnetycznego. Z reguły Lenza wiemy zaś, że zaindukowane pole elektryczne musi mieć zwrot przeciwny do kierunku przepływu prądu. Z czasem, gdy wartość prądu płynącego przez cewkę robi się coraz większa, prędkość jego narastania maleje, a zatem maleje również indukowana siła elektromotoryczna. Powstawanie przeciwstawnej siły elektromotorycznej skutkuje liniowym wzrostem prądu z prędkością określoną wzorem I=(U/L)*t. Narastanie prądu zostanie ostatecznie zatrzymane, w momencie, kiedy zostanie ograniczone przez rezystor połączony szeregowo z cewką. W tym momencie cała energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki wynosi E=0,5*L*I*I.


Ilustracja 1
Inaczej mówiąc, cewka nie pozwala na gwałtowny skok prądu w obwodzie. Kiedy nastąpi wzrost napięcia zasilającego, cewka zawsze wygeneruje siłę elektromotoryczną, która będzie się tej zmianie przeciwstawiać. Zaś kiedy obwód zostanie nagle przerwany, cewką będzie stara się utrzymać przepływ prądu poprzez wygenerowanie impulsu o bardzo wysokim napięciu na jej zaciskach. Zazwyczaj powoduje to powstanie iskry, poprzez którą uwalnia się energia zgromadzone w polu magnetycznym cewki. Ta podstawowa zasada opisująca działanie cewek jest wykorzystywana w przetwornicach podwyższających napięcie powyżej napięcia zasilającego.

Materiały takie jak ferromagnetyki mogą być wykorzystane do zwiększenia strumienia magnetycznego przepływającego przez cewkę. Kiedy ferromagnetyk zostanie umieszczony w polu magnetycznym, małe domeny magnetyczne wewnątrz ferromagnetyka zaczną się ustawiać zgodnie z polem magnetycznym, co powoduje wzrost jego wartości. W ten sposób można zminimalizować rozmiar cewki oraz ilość nawijanych na nich zwojów, a zatem również zmniejszyć wartość rezystancji szeregowej (mniejsze straty). Należy zwrócić uwagę na to, że zmienianie kierunków przez domeny magnetyczne również kosztuje trochę energii, jednak w dobrych ferromagnetykach energia ta jest bardzo mała.

Ze wzrostem strumienia magnetycznego, coraz więcej domen magnetycznych dopasowuje swoje ustawienie do kierunku pola. W pewnym momencie wszystkie domeny magnetyczne ustawią się zgodnie z kierunkiem pola, wtedy mówimy, że nastąpiło nasycenie ferromagnetyka. Wtedy jakakolwiek wzrost prądu spowoduje jedynie minimalny wzrost strumienia magnetycznego, tak jak gdyby ferromagnetyka w ogóle nie było. Większość ferromagnetyków ma bardzo dużą przenikalność, dlatego nawet małe prądy powodują powstawanie strumienia magnetycznego o dużej wartości. W rezultacie ferromagnetyk będzie się nasycał przy prądzie, który jest niepraktyczny w zastosowaniu dla przetwornicy napięcia.

Rdzenie ferrytowe stosowane w cewkach i transformatorach dużej mocy muszą posiadać więc szczelinę powietrzną. Szczelina powietrzną zmniejsza nieco przenikalność, a co za tym idzie strumień magnetyczny. Czym większa szczelina powietrzna, tym bardziej tłumiony jest strumień oraz tym większy prąd może popłynąć przez cewkę. Można powiedzieć, że energia pola magnetycznego jest gromadzona w szczelinie powietrznej. Fotografia przedstawia kilka cewek pozyskanych z przetwornic DC/DC odzyskanych ze starych płytek pochodzących z komputerów, laptopów itd. Jeśli planujesz zajmować się przetwornicami DC/DC, warto jest kupić przynajmniej jedną taką cewkę, której znane są parametry takie, jak indukcyjność, szeregowa rezystancja i maksymalny prąd. Cewka z przodu na fotografii to cewka o indukcyjności 100uH, która służy, jako cewka wzorcowa używana przez autora.

Przetwornica typu „boost”

Przetwornica typu „boost” jest najprawdopodobniej najprostszą ze wszystkich typów przetwornic. Wymaga pojedynczej cewki, bez konieczności używania „uciążliwych” transformatorów. Jej działanie najlepiej przedstawia uproszczony schemat załączony na Ilustracji 2. Tranzystor jest przedstawiony, jako idealny przełącznik, zaś cały układ sterujący został pominięty. Obciążenie, jakie stanowią lampy Nixie jest reprezentowane przez rezystory Rload. Wysokonapięciowy kondensator C jest wykorzystywany, jako bufor dla napięcia wyjściowego. W standardowej aplikacji napięcie wejściowe wynosiłoby mniej więcej Vbat=12V, zaś napięcie wyjściowe Vout=180V.


W czasie t=0 przełącznik zostaje zamknięty (Ilustracja 2A). W rezultacie prąd przepływający przez cewkę zaczyna liniowo narastać zgodnie ze wzorem I=(Vbat/L)*t. W pewnym momencie, przełącznik zostaje otwarty przez obwód sterujący (Ilustracja 2B). Prąd w tym momencie osiąga pewną wartość Ipeak. Jak już wcześniej wspominaliśmy, cewka będzie chciała utrzymać przepływ prądu przez jej uzwojenie. Przełącznik został otwarty, więc jedyną drogą, dzięki której cewka może to osiągnąć jest przez diodę D, dzięki czemu prąd (a co za tym idzie energia) zostają przekazane do kondensatora buforującego C. Teraz zapamiętaj, że kondensator jest w tym momencie naładowany do napięcia 180V! A więc, aby spolaryzować diodę w kierunku przewodzenia, cewka musi wygenerować siłę elektromotoryczną o wartości około 180V-12V=168V. Coś w stylu „kontrolowanego przepięcia”. W tym momencie prąd gwałtownie spadnie, zgodnie ze wzorem I=Ipeak-(Vout/L)*t. Dla Vbat=12V i Vout=180V oznacza to, że zajmie to piętnastą część (180/12) czasu, w którym prąd po zamknięciu przełącznika osiąga wartość Ipeak, lub w którym prąd spada od wartości Ipeak do 0 po otworzeniu przełącznika. Po pewnym czasie cały proces powtarza się z częstotliwością f razy na sekundę.

Jakkolwiek, przetwornica typu „boost” ma poważną wadę. Aby to zrozumieć, najpierw musimy pomyśleć nad przełącznikiem, którego chcielibyśmy użyć w naszym urządzeniu. Tak naprawdę rolę tego przełącznika w prawdziwym układzie pełniłby tranzystor mocy MOS. W przetwornicy typu „boost” tranzystor ten musi wytrzymywać dwa negatywne efekty, wysoki prąd przewodzenia, podczas gdy przełącznik jest zamknięty oraz wysokie napięcie blokowania, podczas gdy przełącznik jest otwarty. Dla tranzystora jest to bardzo trudne do zrealizowania. W celu umożliwienia tranzystorowi wytrzymania tak wysokich napięć wstecznych producenci tranzystorów muszą wewnątrz nich dodatkowe obszary, które będą w stanie przyjąć tak wysokie napięcia, dzięki czemu nie nastąpi przebicie tranzystora. Jednak podczas gdy nasz modelowy przełącznik jest zamknięty (tranzystor przewodzi), obszary te okazują się być dodatkowo rezystancją szeregową wewnątrz tranzystora, co objawia się wzrostem parametru zwanego Ron. To jest właśnie powód, dla którego tranzystory z wyższym napięciem przebicia mają jednocześnie większą rezystancję Ron, niż tranzystory wykonane na niższe napięcia. Jako że prąd w takim układzie może być całkiem duży, cecha to oznacza, że nieunikniony będzie również wzrost strat wewnątrz tranzystora. Problem ten jednak może zostać rozwiązany poprzez zastosowanie przetwornicy typu „flyback” wykorzystującej transformator, o czym dowiemy się więcej w kolejnych akapitach.

Poprzez zbalansowanie całkowitej energii magazynowanej w cewce z całkowitą energią przekazywaną do obciążenia możliwe jest wyliczenie napięcia wyjściowego przetwornicy typu „boost”.

W każdej sekundzie, moc tracona w obciążeniu jest równa:

Jeśli czas całego okresu oznaczymy literką T, zaś literką x część tego okresu, w którym przełącznik jest zamknięty, to maksymalny prąd, który popłynie w cewce będzie równy:

Energia w każdym cyklu dostarczona do cewki jest równa:

Całkowita energia dostarczona w czasie jednej sekundy przy częstotliwości f=1/T jest równa:

W stanie ustalonym układu cała dostarczona energia powinna równać się energii zużytej [1]=[2]:



Jeśli chcesz zbudować przetwornicę DC/DC, która docelowo miałaby zasilać lampy Nixie, a jednocześnie nie oczekujesz od takiego układu bardzo wysokiej sprawności, nawet jeśli oznacza to konieczność zastosowania radiatorów na tranzystorach mocy to przetwornica typu boost będzie dla ciebie najlepszym wyborem. Jednak nawet jeśli myślisz o zbudowaniu prawdziwej przetwornicy typu „flyback”, mimo wszystko dobrym pomysłem na początek będzie zacząć od prostej przetwornicy typu „boost”. Przetwornica typu „boost” wymaga praktycznie tylko łatwej do zdobycia cewki, zaś kiedy zbudujesz już taką przetwornicę i będzie ona spełniała swoje zadanie, można ją łatwo przerobić na przetwornicę typu flyback poprzez wprowadzenie kilku małych modyfikacji.

Układ ten jest bardzo prosty i w znacznym stopniu przypomina obwód przedstawiony na Ilustracji 2. Tranzystor, którego użył autor w swoim prototypie to BUZ41A. Tranzystor ten może wytrzymać maksymalne napięcie Vds=500V oraz jego rezystancja Ron wynosi 1,5 Ω przy prądzie 4,5A. Jego podobne lub lepsze odpowiedniki, takie jak na przykład tranzystor IRF730 również spiszą się w tej roli bardzo dobrze. Dioda powinna zaś mieć krótki czas przełączania, tak jak na przykład dioda BYW95C lub lepsze. Stary (komputerowy) zasilacz może posłużyć jako dawca większości z wymienionych elementów. Cewka została przez autora zamówiona z katalogu, ma ona indukcyjność 100µH i rezystancję szeregową kilku dziesiątych oma, może popłynąć przez nią prąd o natężeniu kilku amperów.

Najbardziej interesującym aspektem tego układu jest to, w jaki sposób taki układ jak 555 może zostać wykorzystany do regulacji napięcia wyjściowego. Obecnie w sklepach są setki innych układ, mikroprocesorów, które spełniłyby się w tej roli lepiej niż 555. Problem jednak dotyczącym wszystkich tych układów jest to, że jeśli przy ich pomocy zbudujemy ładny zegarek Nixie, ale w pewnym momencie układ taki popsuje się bardzo prawdopodobnym jest, że układ taki nie jest już produkowany. Układ 555 jest bardzo tani, jego efektywność jest wysoka, a na dodatek będzie prawdopodobnie produkowany jeszcze przez bardzo długi czas.

Aby zrozumieć, jak działa taki układ, najlepiej jest najpierw zapoznać się z działaniem układu 555. W Internecie znaleźć można mnóstwo poradników opisujących ten jakże przydatny układ. Bez rezystora R3 i tranzystora T1 układ 555 pracuje jako standardowy, astabilny multiwibrator, działając z częstotliwością równą:

Przy tej częstotliwości napięcie wyjściowe będzie wynosiło 200V. Dzielnik napięcia złożony z rezystorów R4, R5 i R6 został zaprojektowany w taki sposób, że kiedy napięcie wyjściowe osiągnie wartość 180V, tranzystor T1 zacznie przewodzić. Stanie się to przy napięciu na złącza baza-emiter wynoszącym około 0,8V. Teraz zapamiętaj, że układ 555 ładuje i rozładowuje kondensator pomiędzy napięciami 1/3Vcc i 2/3Vcc, tak jak zostało to zdefiniowane przez wewnętrzny układ rezystorów. Kiedy T1 zacznie przewodzić, zmniejszy napięcie zasilające wewnętrzny obwód, co w rezultacie spowoduje zmniejszenie amplitudy napięcia oraz zwiększenie częstotliwości. Z ostatniego równania w poprzednim akapicie dowiedzieliśmy się, że zwiększenie częstotliwości (mniejszy okres T) spowoduje zmniejszenie napięcia wyjściowego. W ten sposób napięcie wyjściowe ustabilizuje się przy wartości wyznaczonej przez R5. Jako T1 autor użył tranzystora o wysokim dopuszczalnym napięciu. Tak naprawdę nie ma jednak takiej potrzeby, równie dobrze do tego celu nada się zwykły tranzystor npn o przyzwoitym wzmocnieniu. Wadą i niedociągnięciem w tego typu sterowniku jest to, że nie ma on żadnego zabezpieczenia przed zwarciem obwodu lub przeciążeniem. Przypadkowe zwarcie wyjścia zawsze spowoduje uszkodzenie tranzystora mocy (czego autor, jak wspomina sam kilka razy doświadczył).

Jeśli jesteś na etapie testowania układu i nie chcesz jeszcze podłączyć lamp Nixie do wyjścia zasilacza, najlepiej będzie, jeśli podłączysz sztuczne obciążenie, ponieważ obwód ten nie został zaprojektowany do pracy w stanie jałowym, bez jakiegokolwiek obciążenia. Autor radzi, aby najpierw ustalić jaki prąd będzie płynął podczas zasilania lamp Nixie. Pisze, że najczęściej wybiera wartości nieco niższe, niż te wyszczególnione w nocie katalogowej. To znacznie zwiększa żywotność lamp. Wybierając napięcie zasilania oraz wartość rezystora obciążającego autor chciał dobrać jak najmniejszy prąd, przy którym jasność lampy była nadal wystarczająca. Jeśli docelowe napięcie i prąd są nieznane, wartość rezystora obciążającego możemy wyznaczyć z równania Rload=Vout/Itotal. Podczas testów przetwornicy rezystor podłączony do wyjścia zasilacza symuluje podłączoną lampę Nixie.

W tym miejscu należy powiedzieć kilka słów o bezpieczeństwie. Mimo, że napięcie 180V generowane jest ze znacznie mniejszego napięcia 12V, przypadkowy kontakt z naładowanym kondensatorem buforującym może być bardzo groźne i bolesne, a w skrajnych przypadkach grozi nawet śmiercią. Bądź bardzo ostrożny przez cały czas pracy z tym urządzeniem! Autor umieszcza małą neonową lampkę – wskaźnik na wyjściu przetwornicy (nawet w ostatecznej konstrukcji), która wyraźnie ostrzega, kiedy niebezpieczne napięcie jest obecne na wyjściu przetwornicy. Dodatkowo, podczas testów urządzenia autor cały czas miał podłączony do wyjścia przetwornicy multimetr o rezystancji wewnętrznej 20kΩ/V, aby móc bez przerwy kontrolować napięcie wyjściowe. Na koniec jeszcze jedna rada, którą dał autorowi jego ojciec, który pracował przy podobnych konstrukcjach: zawsze trzymaj jedną rękę w kieszeni, podczas dotykania włączonego obwodu. Dzięki temu w razie wypadku prąd nigdy nie popłynie przez serce.

Tester cewek

Jeśli chcesz zacząć eksperymentować z przetwornicami, zarówno typu „boost”, jak i „flyback” dobrze byłoby, jeśli zaopatrzysz się przynajmniej w jedną cewkę o znanych parametrach, która będzie mogła zostać użyta później, jako „źródło” odniesienia dla transformatorów nawijanych własnoręcznie. Autor posiada cewkę o indukcyjności 100uH, rezystancji szeregowej 0,2Ω oraz dopuszczalnym obciążeniu prądem o natężeniu do kilku amperów. Obwód przedstawiony na Ilustracji 5 umożliwia porównanie cewki (lub transformatora) o nieznanych parametrach ze wspomnianą wcześniej cewką wzorcową.

Obwód został zaprojektowany tak, aby móc przetestować cewkę w warunkach jak najbardziej zbliżonych do tych występujących w przetwornicy typu „boost” zaprezentowanej w poprzednich punktach oraz w przetwornicy typu „flyback”, która zostanie przedstawiona niebawem. Właściwie układ ten to niewiele więcej niż cewka podłączona do napięcia 12V zasilana poprzez tranzystor T1. Prąd przepływający przez cewkę jest mierzony za pomocą małego szeregowego rezystora R4. Spadek napięcia 100mV na R4 odpowiada przepływowi prądu o natężeniu około 1A. Kiedy tranzystor jest otwarty, cewka oddaje swoją energią przez diodę D4. Jako, że spadek napięcia na diodzie wynosi zaledwie 0,6V, proces ten potrwa około 12/0,6=20 sekund, zanim prąd nie spadnie do zera (należy pamiętać o zależności I=(V/L)*t). To jest właśnie powód, dla którego bramka tranzystora jest sterowana poprzez wysoko asymetryczny sygnał generowany przez oscylator tworzony przez elementy N1-N6. Czas włączenia tranzystora jest ustalany przez C1 i rezystory R1+R2. Rezystor R2 został zastosowany dlatego, że czas włączenia tranzystora w tym obwodzie jest równy czasowy włączenia tranzystora w przetwornicy działającej przy normalnym obciążeniu. Czas wyłączenia tranzystora jest ustalany przez kondensator C1 i rezystor R3 i jest on o 20 dłuższy, niż czas włączenia tranzystora.

Na Ilustracji 6 (po prawej stronie) można zobaczyć wyniki pomiarów cewki wzorcowej. Możemy z nich odczytać, że przy napięciu zasilającym równym 12V prąd płynący przez cewkę osiąga wartość I=V/R=0.361/0.11=3.28A w czasie 27.1us. Ponieważ I=(V/L)t możemy wywnioskować, że indukcyjność cewki jest równa L=(V/I)t=(12/3.28)27.1=97.6µH. Nieźle! Całkiem dokładny wynik. Przy nieco wyższym prądzie możemy zaobserwować bardzo ostry wzrost prądu płynącego przez cewkę. To jest punkt, w którym ferrytowy rdzeń cewki nasyca się. Cewka nie powinna być używana przy takim prądzie.

Teraz możesz przetestować inne cewki, na przykład cewki odzyskane ze starych komputerowych zasilaczy. Przełącznik S1 umożliwia łatwe porównanie badanej cewki z cewką wzorcową. Innym ważnym parametrem jest zaobserwowanie poboru prądu testera. Wzrost strat w rdzeniu cewki przy przełączaniu jest odzwierciedlany poprzez wzrost poboru mocy.

Alternatywny prosty i szybki sposób, aby sprawdzić indukcyjność cewki o nieznanych parametrach i pochodzeniu można znaleźć tutaj.


W tym akapicie opisane zostanie kilka podstawowych rzeczy, jakie każdy powinien wiedzieć, aby móc w pełni zrozumieć zasadę działania przetwornicy typu flyback. Na Ilustracji 7 autor naszkicował intuicyjny schemat transformatora oraz jego formalny odpowiednik. Należy zwrócić uwagę na to, iż oba uzwojenia mają pewien nieprzypadkowy kierunek nawijania, początek uzwojenia jest oznaczony na schemacie kropką.

W tym przykładzie założyliśmy, że uzwojenie pierwotne ma jakąś konkretną liczbę zwojów o indukcyjności L1. Uzwojenie wtórne ma zaś dziesięć razy tyle zwojów, co uzwojenie pierwotne. W rezultacie uzwojenie wtórne będzie miało więc indukcyjność L2 = 10^2*L1 = 100*L1. Zakładaliśmy również, że do uzwojenia wtórnego nie było podłączone obciążenie. Kiedy źródło napięcia podłączone jest do uzwojenia pierwotnego, prąd w tym uzwojeniu zacznie wzrastać liniowo z prędkością I=(U/L1)*t. Jeśli jednak uzwojenie wtórne nie jest obciążone, nie może popłynąć w nim prąd, transformator zacznie zachowywać się więc jako zwykła cewka o indukcyjności L1. Prąd przepływający w uzwojeniu pierwotnym będzie powodował przepływ strumienia magnetycznego nie tylko w uzwojeniu pierwotnym, taki sam strumień popłynie również w uzwojeniu wtórnym. Łatwo więc się domyślić, iż jeśli uzwojenie wtórne będzie identyczne, jak uzwojenie pierwotne, to również napięcia na obydwu uzwojeniach transformatora będą zawsze takie same. W tym przykładzie założyliśmy jednak, że na uzwojeniu wtórnym nawiniętych zostało 10 uzwojeń. Możemy to wyobrazić sobie zatem, jako 10 pojedynczych cewek, na każdej z nich indukowało się będzie więc napięcie 10V, co w sumie daje 100V po stronie wtórnej transformatora. Napięcie 100V na wyjściu będzie utrzymywało się tak długo, dopóki prąd w uzwojeniu pierwotnym będzie rósł liniowo. W praktyce oznacza to, że napięcie będzie utrzymywało się, dopóki prąd nie wzrośnie do maksimum lub dopóki rdzeń transformatora nie nasyci się.


W tym wypadku do uzwojenia wtórnego zostało dołączone pewne obciążenie, które umożliwia przepływ prądu. (Ilustracja 8). Jeśli w tym momencie uzwojenie pierwotnego zostanie połączone ze źródłem napięcia, poprzez uzwojenie to zacznie płynąć prąd, co w rezultacie spowoduje również przepływ strumienia magnetycznego o kierunku zaznaczonym strzałką. Ten sam strumień magnetyczny przepływa oczywiście również przez uzwojenie wtórne. Aby przeciwstawić się temu narastającemu strumieniowi, w uzwojeniu wtórnym zacznie płynąć prąd w przeciwnym kierunku, tak jak na Ilustracji 8. W rezultacie na obciążeniu wystąpi spadek napięcia, tak jak zaznaczono na rysunku.


W końcu źródło napięcia po pierwotnej stronie transformatora zostaje nagle usunięte (Ilustracja 9). Jedyny sposób, w jaki uzwojenie wtórnego może zapobiec nagłemu spadkowi strumienia magnetycznego jest wygenerowanie napięcia o przeciwnym zwrocie to prądu, który dotychczas przepływał przez uzwojenie wtórne. W rezultacie również napięcie na obciążeniu zmieni swój kierunek. Należy zwrócić uwagę na to, że napięcie na obciążeniu może wzrosnąć do każdej wartości, która będzie konieczna do utrzymania stałego przepływu strumienia magnetycznego. Cała energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki zostaje przekazana na obciążenie, zaś prąd w uzwojeniu wtórnym zacznie spadać z prędkością Vout/L2.


Ilustracja 10 przedstawia podstawowe elementy występujące w przetwornicy typu ,,flyback”. Ponownie cały układ sterujący został pominięty, podobnie jak tranzystor przełączający MOSFET został zastąpiony reprezentującym go idealnym przełącznikiem.

W momencie, w którym przyjmiemy t=0 kondensator buforujący jest naładowany do nominalnego napięcia wyjściowego równego Vout, zaś prąd płynący przez uzwojenie pierwotne transformatora jest zerowy. W chwili t=0 przełącznik zostaje zamknięty, prąd zaczyna płynąć przez uzwojenie pierwotne. To indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym transformatora o polaryzacji takiej, jak zaznaczono na rysunku (patrz poprzedni akapit). Jako, że dioda jest spolaryzowana ujemnie, w uzwojeniu wtórnym nie popłynie żaden prąd, więc upraszczając, tak jak by uzwojenie wtórne nie było w ogóle połączone z obciążeniem. Mówiąc jeszcze prościej, możemy przyjąć, że po pierwotnej stronie transformatora występuje tylko zwykła cewka. W rezultacie prąd płynący przez uzwojenie pierwotne zacznie narastać liniowo zgodnie ze wzorem I=(12/L1)*t. Podczas, gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym będzie wynosiło n*12V. To oznacza, że dioda musi być w stanie blokować napięcie o wartości wynoszącej przynajmniej n*12V+Vout.

W pewnym momencie przełącznik zostaje otwarty (Ilustracja 11). Przyjmijmy, że prąd, który przepływał przez uzwojenie pierwotne na chwilę przed otworzeniem przełącznika miał wartość Ipeak. Energia zgromadzona w momencie otworzenia przełącznika wynosi 0.5*L1*(Ipeak*Ipeak). Transformator próbuje podtrzymać przepływ strumienia magnetycznego. Jeśli więc obwód po stronie pierwotnej nie jest zamknięty, jedyny sposób, w jaki transformator może to osiągnąć jest zaindukowanie napięcia w uzwojeniu wtórnym, które to musi być nieco wyższe niż docelowe napięcie Vout, ze względu na konieczność spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia. Początkowa wartość prądu będzie wynosiła I2=Ipeak/n. Ze względu na to, że dioda musi zostać spolaryzowana w kierunku przewodzenia, napięcie na uzwojeniu wtórnym wynosiło będzie Vout+0,8V. Napięcie 0,8V to spadek napięcia na przewodzącej diodzie i w przypadku tak wysokich napięć, jakie występują w układzie może zostać pominięty. Transformator obniża to napięcie do wartości Vout/n. Dlatego całkowite napięcie, jako przełącznik musi zablokować (gdy znajduje się w pozycji otwartej) wynosi 12V+(Vout/n).

To właśnie stanowi dużą zaletę przetwornicy typu „flyback” w porównaniu do przetwornicy typu „boost”. W przetwornicy typu „boost” przełącznik (MOSFET) musi wytrzymać duży prąd płynący w czasie jednego cyklu pracy (podczas, gdy przełącznik jest włączony) oraz duże napięcie pojawiające się w trakcie drugiego cyklu pracy (podczas, gdy przełącznik jest wyłączony). W przetwornicy typu „flyback” napięcie podczas, gdy przełącznik jest wyłączony jest zmniejszane do wartości wyznaczonej przez przekładnię transformatora. To zaś oznacza, że możemy wykorzystać tranzystor MOSFET o znacznie niższej wartości rezystancji Ron (czytaj w akapicie dotyczącym przetwornicy typu „boost”). Podobnie, w przetwornicy typu „boost” dioda musi wytrzymać obydwa zjawiska, wysoki prąd przewodzenia oraz wysokie napięcie wsteczne. W przetwornicy typu „flyback” dioda po stronie wtórnej musi blokować wysokie napięcie tylko podczas, gdy prąd jest niski (Ipeak/n). To daje nam możliwość zastosowania diody o mniejszej pojemności, a co za tym idzie o większej szybkości przełączania. Wszystko to powoduje zmniejszenie strat i wzrost sprawności całego układu.

Trwa to do czasu, aż cała energia zgromadzona w transformatorze nie zostanie przeniesiona do kondensatora buforującego. W tym momencie prąd I2 będzie wynosił 0A (Ilustracja 12), zaś siła elektromotoryczna zaindukowana po pierwotnej stronie transformatora (Vout/n) zmaleje do zera, pasożytnicza pojemność przełącznika (pojemność złącza źródło-dren tranzystora MOSFET) naładuje się do napięcia (Vout/n)+12V. Po stronie pierwotnej utworzy się więc obwód rezonansowy składający się z naładowanego kondensatora (Ilustracja 12, po prawej stronie). To powoduje powstawanie oscylacji.

Ilustracja 13 przedstawia schematycznie napięcie na złączu dren-źródło (napięcie na przełączniku) podczas wszystkich trzech faz działania przetwornicy, które zostały opisane wyżej. Podczas fazy „a” przełącznik jest zamknięty. Jak możemy zauważyć na przełączniku występuje pewien spadek napięcia, spowodowane jest to jego niezerową rezystancją. Podczas tej fazy prąd wzrasta liniowo, więc również spadek napięcia na rezystancji Ron narasta liniowo. W punkcie „b” następuje otworzenie przełącznika. Zaczyna płynąć prąd po stronie wtórnej, zaś na uzwojeniu pierwotnym pojawia się obniżone przez transformator napięcie wyjściowe układu. Całkowite napięcie blokowane przez przełącznik wynosiło będzie 12+(Vout/n) (punkt c na Ilustracji 13). W punkcie d cała energia zostaje przekazana do kondensatora i prąd po stronie wtórnej spada do zera, co powoduje zaindukowanie się siły elektromotorycznej po stronie pierwotnej transformatora. Naładowana pojemność pasożytnicza przełącznika zostaje nagle połączona w szereg z cewką – uzwojeniem pierwotnym transformatora, co powoduje tłumione oscylacje (punkt „e” na Ilustracji 13). W punkcie „f” przełącznik zostaje ponownie zamknięty i jakakolwiek energia pozostała w obwodzie rezonansowym LC zostaje stracona w tranzystorze.

Pozostaje jeszcze jedna ciekawa sprawa do omówienia. Żaden transformator nie jest idealny. Zawsze jakaś część linii pola magnetycznego wygenerowana w uzwojeniu pierwotnym nie zostaje zamknięta w uzwojeniu wtórnym. To powoduje powstawanie indukcyjności pasożytniczej, która może zostać przedstawiona, jako mała cewka połączona szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora (Ilustracja 14). Jak wiemy, cała energia zgromadzona w transformatorze zostaje przekazana do kondensatora buforującego. To nie dotyczy jednak małej ilości energii zgromadzonej w indukcyjności pasożytniczej. A więc nagłe otwarcie przełącznika powoduje duży impuls napięcia, tak, jak na każdej innej cewce, która zostanie nagle odłączona od napięcia stałego. Ta mała szeregowa indukcyjność pasożytnicza wraz z pasożytniczą pojemnością złącza źródło-dren tranzystora MOSFET powodują powstawanie tłumionych oscylacji o wysokiej częstotliwości (Ilustracja 15).

W razie potrzeby tranzystor przełączający możemy zabezpieczyć przed impulsami wysokiego napięcia poprzez zastosowanie układu zabezpieczającego RC. Lub diody Zenera, która ograniczy maksymalne napięcie źródło-dren.

Ostatecznie możesz przekonać się, że równanie na napięcie wyjściowe wyprowadzone dla przetwornicy typu „boost” jest spełnione również dla przetwornicy typu „flyback”. Co prawda nie powinno to nikogo zaskoczyć, ponieważ tak jak w przetwornicy typu „boost”, jak i w przetwornicy typu „flyback” zasada działania oparta jest na przenoszeniu energii z cewki lub uzwojenia pierwotnego transformatora na obciążenie. Transformator obniża jedynie napięcie na przełączniku.

Po wszystkim, co zostało już powiedziane na temat przetwornicy typu „flyback”, jej cały schemat nie powinien być już dla nikogo niespodzianką (Ilustracja 16). Właściwie zasadniczą różnicą pomiędzy przetwornicą typu „boost”, a przetwornicą typu „flyback” jest zastąpienie cewki transformatorem i zastosowanie tranzystora BUZ21. Tranzystor BUZ21 ma znacznie mniejszą rezystancję Ron (Ron=0,085Ω) w porównaniu do tranzystora BUZ41A (Ron=1,5Ω) oraz mniejsze napięcie przebicia (100V vs. 500V). Zależność rezystancji Ron od napięcia przebicia była wyjaśniana już wcześniej.

Jedną z najtrudniejszych części tego układu stanowi transformator. Właściwie, nie jest to trudna kwestia, ale problemem jest to, że trzeba go wykonać samemu. Co gorsza, znalezienie odpowiedniego rdzenia ferrytowego stanowi nie lada wyzwanie, ze względu na to, że sprzedawcy często mają w ofercie tylko kilka rodzajów rdzeni. Rdzeń w kształcie litery E o wymiarach 20x20x5mm (Ilustracja 17) autor ostatecznie dostał od zaprzyjaźnionego sprzedawcy, który posiada bogaty asortyment.

A więc jaki jest sposób na wyznaczenie ilości zwojów, jakie musimy nawinąć na rdzeniu ferrytowym? Autor radzi, że na początek zaczyna od testera cewek opisywanego we wcześniejszej części artykułu, dzięki któremu może porównywać nawiniętą cewkę z cewką wzorcową o indukcyjności 100uH. Jeśli jest to dla ciebie pierwsza przetwornica typu „flyback”, na początek warto spróbować z rdzeniem nie zawierającym szczeliny powietrznej. Właściwie, nazywana przez wszystkich szczelina powietrzna często jest tak naprawdę podkładką, zazwyczaj wykonaną z plastiku. A więc na początek zacznij od 10 lub 20 zwojów na rdzeniu bez szczeliny powietrznej. Prawdopodobnie tester wskaże, że jej indukcyjność jest zbyt duża (prąd przez nią płynący rośnie wolniej niż prąd płynący przez cewkę o indukcyjności 100uH). Zauważysz prawdopodobnie, że rdzeń ferrytowy nasyca się przy niskim prądzie. Nadszedł więc czas na umieszczenie wspomnianej wcześniej podkładki. Przyklej kawałek taśmy, a następnie odetnij jej nadmiar za pomocą żyletki tak, aby tylko powierzchnia styku ferrytu była pokryta taśmą. Jeśli po tym zabiegu przetestujesz cewkę, zauważysz, że znacznie zmniejszyła się indukcyjność, a wzrósł prąd nasycenia. Prawdopodobnie będziesz musiał dodać lub usunąć kilka zwojów, aby uzyskać indukcyjność równą 100uH. Do nawinięcia uzwojenia pierwotnego autor użył izolowanego drutu miedzianego o przekroju 0,4mm (może być również 0,5mm). Kiedy będziesz miał już odpowiednią ilość zwojów po stronie pierwotnej transformatora, po stronie wtórnej będziesz musiał nawinąć dziesięć razy więcej zwojów. Do nawinięcia uzwojenia wtórnego autor użył drutu o przekroju około 0,1 – 0,15mm. Warto dodać warstwę taśmy pomiędzy dwoma warstwami uzwojenia wtórnego. Transformator, który wykonał autor projektu miał ostatecznie 22 zwoje po stronie pierwotnej i 220 zwojów po stronie wtórnej.

Ilustracja 19 przedstawia napięcie na złączu dren-źródło tranzystora MOSFET mierzone za pomocą sondy o tłumieniu 1:10. Punkt 1- po lewej stornie ekranu oscyloskopu oznacza poziom 0V. Obraz nie jest zbyt ostry z powodu tętnień o częstotliwości 50Hz występujących na wyjściu zasilacza. Niemniej kilka z cech przedstawionych na Ilustracji 15 można z łatwością rozpoznać również na tym zdjęciu. Częstotliwość powtarzania impulsów wynosi 32kHz, zaś maksymalne napięcie blokowanie na tranzystorze wynosi teoretycznie 31V. Napięcie na tranzystorze dwukrotnie oscyluje, nim tranzystor zostanie włączony po raz kolejny. Obecne są również oscylacje o wysokiej częstotliwości spowodowane pasożytniczą indukcyjnością, jednak ciężko zauważyć je na fotografii. Narastający spadek napięcia na rezystancji Ron podczas, gdy tranzystor jest włączony jest łatwo zauważalny.

Cała przetwornica może być z łatwością zbudowana na obszarze mniejszym niż 4x4cm. Autor celem zwiększenia trwałości jego lamp uruchamia je przy najniższym możliwym prądzie. Standardowo jest to wartość 1-1,5mA. To oznacza, że przetwornica musi wygenerować dla 6 cyfr około 6 do 7 watów mocy. Sprawność wynosi więc około 80%. Nie jest to może wynik spektakularny, ale nadal bardzo dobry, szczególnie jak na tak prosty układ. Jeśli zdecydujesz się na budowę takiej przetwornicy, czerp z tego przyjemność, bądź ostrożny i powodzenia!

Źródło:Link