Раздел 5. Преобразователи постоянного напряжения (7 часов)

Лекция 15. Тема 5.1. Полупроводниковые преобразователи с самовозбуждением (2 часа)

Классификация преобразователей постоянного напряжения. В источниках вторичного электропитания (ИВЭП) радиоэлектронных устройств (РЭУ) нашли широкое применение различные полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения. Основное их назначение состоит в согласовании напряжения электропитающей первичной установки с напряжениями, требующимися для питания отдельных узлов РЭУ (они могут использоваться для повышения или понижения напряжения).

Основными достоинствами полупроводниковых преобразователей по сравнению с другими видами преобразователей являются: высокий КПД, большая эксплуатационная надежность, повышенный срок службы, малые объем и вес, возможность одновременно с преобразованием осуществлять стабилизацию или регулирование напряжения. Эти достоинства предопределяются во многом свойствами полупроводниковых приборов и магнитных материалов, работающих в силовых цепях преобразователей.

В полупроводниковых преобразователях энергия постоянного тока первичного источника преобразуется в энергию импульсов почти прямоугольной формы с помощью переключающего устройства, выполняемого на транзисторах или тиристорах. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора соединить с выпрямителем со сглаживающим фильтром, то получим устройство, называемое конвертором.

Инвертор может быть выполнен по схемам с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Инвертор с самовозбуждением представляет собой генератор импульсов с внутренней положительной обратной связью, а с независимым возбуждением – задающий генератор (часто это инвертор с самовозбуждением) и усилитель мощности. Отметим, что некоторое усложнение инвертора за счет введения задающего генератора оправдывает себя при мощности более 10 Вт, так как при этом повышается КПД преобразователя, а частота преобразования и форма кривой на выходе инвертора остаются неизменными (не зависят от величины напряжения первичного источника электрической энергии и от тока нагрузки). Поэтому инверторы с задающим генератором широко применяются в ИВЭП.

Еще различают инверторы нерегулируемые и регулируемые (по величине выходного напряжения), однотактные и двухтактные (по принципу действия) и по другим признакам, причем двухтактные инверторы могут выполняться по схеме со средней точкой трансформатора, полумостовой или мостовой. В однотактном преобразователе энергия из первичного источника (со входа) передается в нагрузку в течение одного из двух тактов работы преобразователя, а в двухтактном – в течение обоих тактов. Основным недостатком однотактных преобразователей является подмагничивание трансформатора постоянной составляющей тока, что приводит к увеличению размеров сердечника трансформатора и потерь мощности в нем.

Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением. Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они применяются как маломощные автономные источники электропитания и как задающие генераторы в мощных преобразователях. Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 5.1. В инверторе напряжение источника питания U_вх преобразуется в переменное напряжение прямоугольной формы (при прямоугольной форме выпрямленное напряжение мало отличается от постоянного и поэтому позволяет использовать более простой сглаживающий фильтр).

Рис. 5.1. Структурная схема преобразователя напряжения с самовоэбуждением

Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя. На выходе преобразователя (конвертора) получается требуемое по величине напряжение постоянного тока U₀, отличающееся от входного напряжения U_вх.

Как видно из рис. 5.1, в инверторе используется положительная обратная связь с трансформатора к переключающим приборам, которая определяет режим генерации импульсов.

Однотактный преобразователь напряжения с самовозбуждением. В основе работы схемы рис. 5.2 лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзисторного ключа. В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора W_k, а в эмиттерно-базовую – обмотка положительной обратной связи W_Б.

При включении источника U_вх в цепи коллектора транзистора VT (и в обмотке W_k) начинает протекать небольшой ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в сердечнике трансформатора. Этот поток наводит в обмотке W_Б ЭДС самоиндукции (на базе VT «минус»), которая еще больше открывает транзистор VT. Благодаря этой (положительной) обратной связи процесс открытия транзистора протекает очень быстро (лавинообразно) и транзистор полностью открывается. Все напряжение U_вх прикладывается к обмотке W_k.

Рис. 5.2. Однотактный полупроводниковый преобразователь напряжения с самовозбуждением

Когда магнитный поток в трансформаторе достигнет насыщения, исчезает ЭДС и ток в обмотке W_Б, но появляется в ней противо-ЭДС, запирающая транзистор. А далее процесс начинается сначала.

В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора W_к протекает так, импульсы которого имеют почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку W_вых трансформируются увеличенные по амплитуде импульсы той же формы и частоты. Далее эти импульсы выпрямляются с помощью однополупериодного выпрямителя.

Резистор RP_Б ограничивает ток базы транзистора VT (на нем после возбуждения колебаний создается смещение, сдвигающее рабочую точку транзистора в область меньших токов).

Описанный преобразователь целесообразно применять при больших значениях U_вых и малых токах (для питания, например, высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках). Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание сердечника трансформатора, так как ток в его первичной обмотке протекает только в одном направлении. Поэтому такие автогенераторы используются при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.

Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют увеличить КПД и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает более постоянное выпрямленное напряжение.

Двухтактный преобразователь с самовозбуждением. Основными элементами преобразователя (рис. 5.3) являются: трансформатор, транзисторы VT₁ и VT₂, выпрямитель и сглаживающий фильтр (С₂). Трансформатор имеет первичную обмотку W_к, обмотку обратной связи W_Б и вторичную обмотку W_вых. Обмотки W_k и W_Б выполнены с отводами от средних точек. Сердечник трансформатора выполнен из материала, имеющего петлю гистерезиса, близкую по форме к прямоугольной (ферриты, пермаллой). Делитель напряжения R₁,R₂ служит для запуска устройства, а конденсатор С₁ – для улучшения условий работы транзисторов в моменты их включения.

Принцип действия. 1. При включении источника питания U_вх с резистора R₁ на оба транзистора подается напряжение (около 0,7 В), обеспечивающее отрицательное смещение потенциалов баз относительно эмиттеров. Транзисторы приоткрываются и по полуобмоткам W_к1 и W_к2 протекают токи. Вследствие неидентичности параметров транзисторов токи и магнитодвижущие силы полуобмоток будут различны, в результате чего в сердечнике трансформатора создается результирующий магнитный поток, индуктирующий ЭДС в полуобмотках W_Б1 и W_Б2 такой полярности (на рис. 9.3 показаны знаки без скобок), что к базе одного из транзисторов, например VT₁, прикладывается отрицательное напряжение, а к базе VT₂ – положительное. За счет такой (положительной) обратной связи возникает лавинообразный процесс по полному открыванию транзистора VT₁ и закрыванию транзистора VT2. В результате (почти мгновенно) транзистор VT₁ входит в режим насыщения, а VT₂ оказывается полностью закрытым. Через открытый транзистор VT₁ напряжение U_вх прикладывается только к полуобмотке W_к1.

Рис. 5.3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

2. Начинается (сравнительно медленно) линейное нарастание магнитного потока до значения насыщения + Ф_S. Как видно из рис. 5.4, а, магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным. Поэтому ЭДС во всех обмотках трансформатора исчезают, а соответственно и токи в них.

3. Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает в них ЭДС противоположной полярности (на рис. 5.3 показаны знаки в скобках). В результате на базе VT₁ появится «плюс» по отношению к эмиттеру и этот транзистор призакроется, а на базе VT₂ – «минус», что приводит к приоткрыванию этого транзистора и появлению коллекторного тока в полуобмотке W_К2. Это вызывает увеличение отрицательного напряжения на базе VT₂ и дальнейший рост коллекторного тока, т.е. происходит снова лавинообразный процесс очень быстрого переключения транзисторов: VT₂ войдет в режим насыщения, а VT₁ закроется и только к полуобмотке W_К2 прикладывается напряжение источника питания U_вх.

4. Начинается линейное изменение магнитного потока от +Ф_S до – Ф_S (идет процесс перемагничивания сердечника трансформатора). Далее (рис. 5.4, а) магнитный поток почти не изменяется, ЭДС и токи в обмотках исчезают (или становятся весьма малыми).

Далее процесс повторяется с п.3.

Рис. 5.4. К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения: а –петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора; б – диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

Таким образом, процесс переключения транзисторов носит периодический характер и в течение одного периода получаемого на вторичной обмотке W_вых напряжения U_вых источник питания дважды подключается к полуобмоткам W_К. Переменное напряжение с выходной обмотки W_вых подается на выпрямитель .

Частота работы преобразователя зависит от напряжения источника питания, параметров схемы инвертора и тока нагрузки. С увеличением тока нагрузки она уменьшается, а в случае короткого замыкания в нагрузке генерация срывается. После устранения короткого замыкания схема вновь готова к работе.

Достоинства рассмотренной схемы: простота, отсутствие необходимости применения защиты от коротких замыканий в нагрузке, отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора, выходное переменное напряжение инвертора достаточно близко к прямоугольной форме. К недостаткам схемы относятся: зависимость частоты и формы выходного напряжения инвертора от величины входного напряжения и тока нагрузки, резкое увеличение коллекторного тока транзисторов в конце каждого полупериода, необходимость применения транзисторов, рассчитанных не менее чем на двойное допустимое напряжение на закрытом переходе эмиттер – коллектор.

При работе схемы рис. 5.3, когда один из транзисторов закрыт, напряжение между его коллектором и эмиттером составляет около 2U_вх.. Во время переключения транзисторов на коллекторе замыкаемого транзистора создается бросок напряжения выше 2U_вх из-за индуктивности рассеяния трансформатора, которая резко изменяется при насыщении магнитопровода. Поэтому для защиты транзисторов от возможного пробоя их часто шунтируют стабилитронами (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Схема преобразователя напряжения с защитой транзисторов при перенапряжениях

Лекция 16. Тема 5.2. Полупроводниковые преобразователи напряжения с независимым возбуждением (2 часа)

В настоящее время наибольшее применение нашли преобразователи постоянного напряжения, инверторы которых выполнены по схемам с независимым возбуждением. В состав такого инвертора входят (рис. 5.6) задающий генератор и усилитель мощности. В качестве задающего генератора могут использоваться разнообразные автогенераторы, в том числе и инверторы с самовозбуждением. Выбор схемы усилителя мощности определяется в основном выходной мощностью. Например, для мощностей до 20 Вт широко применяются однотактные схемы, для больших мощностей – двухтактные.

Рис. 5.6. Структурная схема преобразователя напряжения с независимым возбуждением (усилителя мощности)

В двухтактной схеме (рис. 5.7, а) усилитель мощности выполнен на транзисторах VT₁, VT₂ и трансформаторе T₂. На базы транзисторов подается напряжение управления прямоугольной формы со вторичных обмоток трансформатора Т₁ задающего генератора 3Г. В течение первого полупериода открыт и находится в режиме насыщения один из транзисторов, допустим VT₁, а транзистор VT₂ закрыт. Напряжение питания U_вх через открытый транзистор прикладывается к верхней полуобмотке трансформатора Т₂. Во второй полупериод напряжение U_вх прикладывается через открытый транзистор VT₂ к нижней полуобмотке трансформатора Т₂.

Резисторы R_Б уменьшают влияние разброса параметров входных цепей транзисторов на режим их работы (значение R_Б должно быть больше R_вх транзистора).

Рис. 5.7. Двухтактная (а) и мостовая (б) схемы усилителей мощности на транзисторах

В рассмотренной схеме напряжение на закрытых триодах равно 2U_вх и на их коллекторах возможны выбросы напряжения более 2U_вх из-за индуктивности рассеяния трансформатора Т₂.

В мостовой схеме (рис. 5.6,б) в каждый полупериод управляющего напряжения работают по два транзистора: VT₁ и VT₃ ,VT₂ и VT₄. Полярность питающего напряжения U_вх, прикладываемого к первичной обмотке трансформатора Т₂ через попарно включенные транзисторы, меняется каждый полупериод управляющего сигнала.

В данной схеме к закрытым транзисторам прикладывается напряжение, равное U_вх. Поэтому мостовые преобразователи применяются на большие мощности и при повышенном напряжении питания. В транзисторах отсутствуют броски коллекторного тока (трансформатор Т₂ работает без насыщения), что уменьшает рассеиваемую на транзисторах мощность и повышает КПД преобразователя.

Регулируемые преобразователи постоянного напряжения применяются в устройствах автоматического управления и регулирования параметров (например, частоты вращения электродвигателей и др.). На рис. 5.8 приведена схема мостового регулируемого преобразователя напряжения. Транзисторы схемы управляются от синхронно работающих 3Г₁ и 3Г₂ (работа 3Г₂ синхронизируется импульсами с 3Г₁, поступающими на вход 3Г₂ через фазосдвигающее устройства (ФСУ)). При изменении сигнала управления на входе ФСУ изменяется фаза управляющих импульсов с 3Г₂ относительно управляющих импульсов с 3Г₁. При угле сдвига между ними φ=0 схема работает как обычный нерегулируемый преобразователь мостового типа с независимым возбуждением.

Изменяя угол φ, изменяется длительность импульсов на выходе преобразователя и соответственно действующее и среднее значения напряжения U_вых.

Рис. 5.8. Принципиальная схема регулируемого преобразователя напряжения на транзисторах

Лекция 17. Тема 5.3. Преобразователи на тиристорах(1 час)

Тиристорные инверторы применяются в ИВЭП радио- и электросвязи, в электроприводе и т.п. В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов инверторы подразделяются на инверторы тока и инверторы напряжения. В инверторах тока осуществляется преобразование тока, а форма напряжения зависит от нагрузки; в инверторах напряжения определяющим фактором является напряжение, а форма тока зависит от параметров нагрузки. В инверторах напряжения выходное напряжение в режиме холостого хода почти не зависит от частоты преобразования и на форму напряжения почти не влияют коммутационные процессы. Коммутацию тока в тиристорных инверторах выполняют реактивные элементы – конденсаторы и дроссели.

В инверторах тиристоры работают в ключевом режиме. Включение тиристора обеспечивается устройством управления, которое своевременно подает на его управляющий электрод запускающие импульсы. Для выключения (запирания) тиристора необходимо прервать протекание через него прямого тока на время, достаточное для восстановления его запирающих свойств. Для этого в инверторе применяют так называемый коммутирующий конденсатор, который обеспечивает условия для запирания тиристора путем подачи на анод отрицательного по отношению к катоду напряжения.

На рис. 5.9 приведена схема двухтактного инвертора на двух тиристорах VS₁,VS₂ и трансформаторе Т с выводами средней точки 0 и точек 1 и 2, к которым подключаются обратные диоды VD₁ и VD₂ . Тиристоры управляются импульсами, находящимися в протофазе и вырабатываемыми системой управления СУ.

Рис. 5.9. Преобразователь напряжения на тиристорах

Инвертор работает следующим образом. Допустим, что в данный момент ток от источника U_п проходит через тиристор VS₁, а коммутирующий конденсатор С_к заряжен до напряжения 2U_п. На тиристор VS₂ подается управляющий импульс, который открывает его.

Потенциал точки А повышается практически до 2U_п, благодаря чему создается обратное напряжение на тиристоре VS₁ и он запирается. Это напряжение поддерживается конденсатором на время восстановления запирающих свойств VS₁ и далее конденсатор перезаряжается.

При подаче повторного отпирающего импульса на VS₁ схема возвращается в исходное состояние и процесс повторяется.

Через каждую половину вторичной обмотки трансформатора протекает импульсный ток, который передается в нагрузку R_н.

Диоды VD₁ и VD₂ необходимы для пропускания к источнику питания U_п реактивной мощности, накопленной в индуктивности нагрузки и в реактивных коммутирующих элементах в те промежутки коммутации, когда один из тиристоров закрыт, а второй не проводит разрядный ток индуктивности L.

В маломощных преобразователях диоды можно подключать не к отводам трансформатора, а непосредственно к анодам тиристоров через резисторы с малым сопротивлением (на рис. 5.9 показаны штриховой линией).

Инвертор с обратными диодами обладает рядом достоинств: устойчивость работы при изменении в широких пределах величины и характера нагрузки, малые масса и габариты (конденсатор и дроссель малые), возврат части реактивной энергии в источник постоянного напряжения.