2.8.3 Двухтактные инверторы на транзисторах

Двухтактные инверторы, работающие в режиме автогенератора или усилителя мощности, широко применяются в источниках вторичного электропитания. Наиболее известным является инвертор с самовозбуждением с отводом от средней точки первичной обмотки трансформатора ( схема Ройера ).

Принципиальная схема двухтактного инвертора представлена на рисунке 2.72,а. Она состоит из двух транзисторов VT₁ и VT₂ , которые включены по схеме с общим эмиттером. Резисторный делитель R₁ и R₂ предназначены для подачи напряжения на транзисторы для надежного запуска инвертора. На резисторе R₁ создается падение напряжение порядка 0,5…1,0 В, которое плюсом прикладывается к базе транзисторов, тем самым способствует отпиранию транзисторов. Конденсатор С во время включения инвертора позволяет получить повышенное значение напряжения на резисторе R₁, что обеспечивает более надежный запуск, благодаря возрастанию базовых токов транзисторов.

Рассмотрим работу ненагруженного инвертора, выделив при этом три стадии.

Стадия 1 ( интервал времени о…t₁ рисунок 2.72,б) наблюдается только при подключении инвертора к источнику питания. Положим, что рабочая

138

точка магнитопровода находится в условной области 1 петли гистерезиса

( рисунок 7.52,в). При включении источника питания U_о с резистора R₁ напряжение смещения через обмотки обратной связи w₄ , w₅ поступает на базы транзисторов VT₁ и VT₂ , обеспечивая их работу в активном режиме.

а- принципиальная электрическая схема;

б- временные диаграммы ;

в- процесс перемагничевания магнитопровода

трансформатора

Рисунок 2.72- К принципу работы транзисторного двухтактного инвертора

Поскольку абсолютной индентичности двух даже однотипных транзисторов достичь невозможно, значения коллекторных токов I_к1 и I_к2 несколько отличаются ( пусть I_к1>I_к2 ). При этом намагничивающая сила

F=(I_к1 – I_к2 ) w_к возбуждает нарастающий магнитный поток Ф.

Появление изменяющегося по значению магнитного потока приводит к появлению ЭДС на всех обмотках трансформатора.

Обмотки обратной связи подключены таким образом, что полярность ЭДС обратной связи способствует дальнейшему возрастанию тока в одном контуре и уменьшения тока в другом ( в данном примере - увеличению I_к1 и уменьшению I_к2 ).

Процесс развивается лавинообразно. В результате транзистор VT₁ входит в режим насыщения, VT₂ – режим отсечки ).

Стадия 2 [ интервал времени t₁…t₂ (рисунок 2.72,б), область 2 петли гистерезиса (рисунок 2.72,в)].

Поскольку транзистор VT₁ полностью открыт (замкнут), напряжение источника питания U_о приложено к цепи с индуктивностью коллекторной полуобмотки трансформатора w_к1. Ток в обмотке и магнитный поток Ф в

139

магнитопроводе возрастает линейно. Напряжение источника питания Uо уравновешивается ЭДС e₁ на зажимах полуобмотки w₁. Пренебрегая падением напряжения в проводах и на замкнутом транзисторе VT₁, частоту рабочего цикла можно определить по формуле

f=1/Т = (U_о –U_{кэ нас}.)/4 В_нас. W₁ S_ст, ( 2.68 )

здесь учтено падение напряжение на замкнутом транзисторе U_{кэ нас}.

Стадия 3 ( интервал времени t₂…t₃, рисунок 2.72,б, область 3 петли гистерезиса, рисунок 2.72,в).

С момента времени t₂ индукция в магнитопроводе трансформатора достигает значения насыщения В_{нас мах}, при этом резко уменьшается изменение потока Ф и уровень ЭДС, но возрастает напряженность магнитного поля Н (переход из области 2 в область 3 петли гистерезиса). В соответствии с законом полного тока увеличение Н влечет за собой возрастание тока в цепи коллектора VT₁ и I_к1.

Однако при неизменном токе базы VT1, значение которого определяется из равенства I_б = U_б/R_б ( R_б - входное сопротивление замкнутого транзистора и проводов), возрастание тока I_к1 возможно только при перемещении рабочей точки транзистора VT₁ по коллекторной характеристики из положения 1 в положение 2 ( транзистор VT₁ из режима насыщения переходит в область активного режима) (рисунок 2.73). При этом увеличивается падение напряжение на транзисторе VT₁ и в результате - уменьшается напряжение на обмотке w₁. Это в свою очередь приводит к уменьшению ЭДС обратной связи на зажимах полуобмотках w₄ и w₅ . Уменьшение уровня ЭДС на обмотках трансформатора поясняется и тем, что при насыщении магнитопровода отсутствует изменения индукции (dB/dt=0 , т.е. и dФ/dt=0).

С уменьшением ЭДС обратной связи уменьшается значение напряжения смещения на базах транзисторов VT₁ и VT₂, что приводит к лавинообразному размыканию транзистора замыканию транзистора VT₂ - происходит переключение транзисторов.

Рисунок 2.73- Выходная вольт- амперная характеристика транзистора VT1

140

В результате транзистор VT₁ переходит в режим отсечки, транзистор VT₂ - в режим насыщения и процесс повторяется, рабочая точка перемещается по петле гистерезиса в область 4.

Двухтактные транзисторный инверторы с самовозбуждением используются как силовые каскады ИВЭП при преобразуемых мощностях в несколько десятков вольт-ампер ; при больших мощностях такие инверторы выполняют функции задающих генераторов ( в ИВЭП с силовыми каскадами на базе усилителей мощности).

К достоинствам автогенератора относится свойство самозащиты от короткого замыкания, при котором колебания прекращаются - транзисторы размыкаются.

Двухтактные инверторы наряду с положительными свойствами имеют ряд недостатков. При работе с независимым возбуждением из-за этапа рассасывания носителей в транзисторах в процессе коммутации могут наблюдаться режимы, когда замыкаемые и размыкаемые транзисторы находятся в активной области. При этом образуется коротко - замкнутая цепь, по которой протекает так называемый «сквозной» ток большой амплитуды. Такой режим является опасным для элементов силовой цепи, приводит к дополнительным потерям мощности и увеличению уровня электромагнитных помех.

Дополнительный материал к лекции 23 для самостоятельной работы

М остовой инвертор. Схема силового каскада мостового инвертора, показанная на рисунке 2.74, по топологии аналогична схеме мостового выпрямителя, в котором вместо диодов установлены транзисторы.

Рисунок 2.74 - Принципиальная схема силового каскада мостового инвертора

Учитывая, что назначением инвертора является преобразование постоянного напряжения в разнополярное, полюсы входного источника постоянного напряжения подключены к соединению одноименных выводов транзисторов, а нагрузочная цепь ( как правило, виде первичной обмотки трансформатор) включая в диагональ моста, - к точкам соединения разных

141

электродов – коллектор и эмиттера.

Принцип работы схемы заключается в том, что поочередно включается пара транзисторов ( VT₁, VT ₄ ) , а потом пара транзисторов ( VT₃, VT₄). Через пары протекают токи i₁= i₄ и i₃ = i₂. Полагаем, что транзисторы по току используются полностью, т.е. i_к =I_{к макс. Доп}. Токи через первичную обмотку трансформатора TV протекают встречно и создают на ней переменное разнополярное напряжение с амплитудой, равной U_п – 2 U_{КЭ нас}.≈U_п.

Достоинство схемы, транзисторы выбираются с меньшим коллекторным напряжением, по сравнением со схемой ( рисунок 2.72 ). Подмагничевание магнитопровода отсуствует.

Недостатки схемы, используются четыре транзисторов. При этом также усложняется схема управления, возрастают потери.

Полумостовой инвертор. Схема силового каскада показана на рисунке 2.73.

Рисунок 2.73 – Принципиальная схема силового каскада полумостового

инвертора

Особенностью полумостового инвертора является необходимость применения источника электропитания с отводом от средней точки.

Это легко реализуется, если в качестве источника электропитания исполь­зуется аккумуляторная батарея с четным числом последовательно соединенных секций. При питании от выпрямителя средняя точка (нулевой потенциал U_n) создается емкостным делителем.

Принцип работы схемы. При замкнутом транзисторе VT₁ к первичной обмотке трансформа­тора приложено напряжение 0,5U_n, такое же по значению напряжение

противоположной полярности приложено к первичной обмотке при замкнутом VT₂.

Резонансные инверторы. Может показаться, что ключевой метод регулирования напряжения, на­пример на основе ШИМ, является идеальным в смысле минимума потерь энергии. Это действительно так, если сравнивать широтно-импульсные регу­ляторы с непрерывными (линейными), где стабилизация осуществляется за счет рассеяния энергии на регулирующем элементе. Реально же потери

(рисунок 2.74 ) в ключевых регулирующих элементах пренебрежимо малы лишь на относи­тельно низких частотах переключения в пределах 20...40 кГц. Разработчики

142

стремятся повысить частоту переключения, поскольку это позволяет умень­шить размеры, вес и стоимость магнитных элементов и фильтровых конден­саторов, однако с ростом частоты увеличиваются динамические потери (по­тери на переключение). Развитие МОП- транзисторов и появление новых моделей ИМС контроллеров позволило несколько отодвинуть эту границу в сторону высоких частот, но не радикально.

1 – потери в меди ;

2 - потери на переключение ;

3 – потери в стали ;

4 – результирующая характеристика

Рисунок 2. 74 - Потери мощности в инверторе

Потери на переключение вызваны тем, что переход от включенного состояния транзистора к выключенному и обратно происходит не мгновенно, а в течение оп­ределенного, пусть даже и малого времени. Во время переключения рабочая точка транзистора находится в активной области выходных характеристик (рисунок 2.75).

Рисунок 2.75 - Траектория переключения МОП - транзистора

В идеале переключение транзистора следовало бы проводить по траектории 1.

143

Например, для перевода транзистора из выключенного состояния (точка В) во включенное (точка А), следует сначала при нулевом токе уменьшить напряжение сток— исток U_си транзистора до нуля (точ­ка 0), а затем увеличить ток до установившегося значения. Практически же, если не приняты специальные меры, из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей переключение будет происходить по траектории 2. При этом на транзисторе выделяется значительная электрическая мощность, преобразую­щаяся в тепло.

Таким образом, для уменьшения потерь на переключение следует от­крывать транзистор, когда напряжение на нем равно нулю, а закрывать при нулевом токе. Эти условия можно обеспечить за счет использования резо­нансных колебаний в цепях с ключевыми элементами. Упрощенная схема резонанс­ного преобразователя, работаю­щего при нулевом токе переклю­чения (так называемый ПНТ-преобразователь), показана на рисунке 2.76.

Рисунок 2.76 - Схема резонансного преобразователя, работающего при

нулевом токе переключения ( ПНТ – преобразователь )

Эта схема является резонанс­ным вариантом прямоходовои схемы. Здесь простой ключ заменен резонансным ключом, состоящим из компонентов VT, L₁, C₁. В принципе в качестве резонансной индуктивности может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора.

Пусть первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течет за счет энер­гии, запасенной в дросселе выходного фильтра L₂, через диод VD₄ в нагрузку. В некоторый момент времени, определяемый схемой управления, ключ VT от­крывается. Колебательный контур, образованный катушкой L₁ и конденсато­ром C₁, начинает получать энергию. Заряд конденсатора C₁ и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура L₁C₁. Одновременно ток в катушке L₁ также будет изменяться по синусоидальному закону — вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшится до нуля, нужно закрыть ключ. При этом диод VD₂ предотвращает обратный ток через паразитный диод МОП- транзистора, который мог бы быть вызван продолжающимся резонанс­ным процессом.

Когда ток в катушке L₁ становится равным нулю, выходной ток течет через дроссель L₂, диод VD₃ и конденсатор C₁, который быстро разряжается. Как только он

144

разряжается до нуля, открывается диод VD₄. На этом один резонанс­ный цикл заканчивается, и с открывания транзистора VT начинается следую­щий цикл. Так как транзистор открывается и закрывается при нулевом токе, потери на переключения будут минимальны. В связи с тем, что переход тока с диода VD₃ к диоду VD₄ и обратно замедлен присутствием индуктивности L₂ и емкости C₁, потери энергии будут также снижены и в диодах. Уменьшаются также скорости нарастания токов и напряжений, что способствует снижению уровней электромагнитных помех и перенапряжений на элементах схемы.

В рассмотренной схеме переключение силового транзистора происходит при нулевом токе через него. Существуют также схемы, в которых транзистор переключается при нулевом напряжении (ПНН- преобразователи). Схемы пер­вого типа (переключение при нулевом токе — ПНТ) лучше подходят для сете­вых источников питания с повышенным питающим напряжением; схемы вто­рого типа — для преобразователей постоянного тока с более низким напряжением питания. Схема простейшего ПНН-преобразователя и времен­ные диаграммы его работы представлены на рисунок 2.77.

а) б)

Рисунок 2.77 - Схема преобразователя с переключением при нулевом напряжении ( а) , эпюры напряжений и токов (б)

Как видно, это простой понижающий преобразователь. В конце интервала открытого состояния ключа ( МОП – транзистор VT ) конденсатор резонансного

контура C разряжен, а ток индуктивной катушки резонансного контура L ра­вен выходному току (полагаем выходной ток постоянным). При запирании ключа открывается диод VD и начинается колебательный переходный процесс заряда конденсатора C током катушки L, причем если пренебречь потерями, то можно считать, что этому процессу отвечает дифференциальное уравнение

L·С ( d²I/dt²) + I = 0, ( 2.69)

решение которого представляет собой синусоиду. При этом начальная фаза на­пряжения на конденсаторе U_c (оно же — напряжение сток—исток транзисто­ра)

145

равна нулю (рисунок 2.77, б), и соответственно фаза тока в катушке — 90°(т. е. ток в катушке равен своему амплитудному значению). По прошествии времени, равного половине периода собственных колебаний резонансного контура LC, напряжение на ключе вновь достигает нуля. В этот момент следует подать отпи­рающий сигнал на затвор транзистора. Таким образом, выключение и включе­ние ключа происходит при нулевом напряжении на нем. Примечательно, что при отпирании ключа последний не сразу перехватывает весь ток у диода. Этот процесс благодаря наличию в цепи катушки L имеет заметную длительность

∆ Т = L· ( I_вых /I_вх ) , ( 2.70 )

что снижает потери в диоде и электромагнитные помехи, порождаемые элек­трической схемой .

Методика переключения при нулевом напряжении применима ко всем ос­новным способам импульсного преобразования электрического тока: к пони­жающим, повышающим и инвертирующим преобразователям, а также прямо-ходовым, обратноходовым, полумостовым и мостовым инверторам.

Достоинства ПНН:

- токи в цепях схемы не превышают значений соответствующих токов обычно­го

преобразователя;

- пониженная мощность управления ключом (нет эффекта Миллера).

Недостатки ПНН:

- повышенное значение максимального напряжения на закрытом одиночном

ключе;

- частота преобразования обратно пропорциональна току нагрузки.

Вопросы для самопроверки

1 В чем отличие функционального узла инвертора от преобразовательного устройства ?

2 Нарисуйте упрощенные структурные схемы преобразователей напряжения

3 Нарисуйте принципиальную схему однотактного инвертора и поясните принцип работы.

4 Нарисуйте принципиальную схему двухтактного инвертора и поясните принцип работы.

5 В портативных телевизорах и осциллографах часто используют преобразователи напряжения. С какой целью ?

6 Почему сердечник магнитопровода трансформатора инвертора имеет прямоугольную петлю гистерезиса ?

7 Нарисуйте временные диаграммы, объясняющие работу двухтактного инвертора напряжения.

8 Назовите достоинства и недостатки полупроводниковых инверторов напряжения.

9 Назовите достоинства резонансных инверторов.

10 Назовите недостатки резонансных инверторов.

146

Примеры задач до темы лекции 23

Задача 1

Выберите транзистор для инвертора ( рисунок 2.72 ) для следующих исходных данных : напряжение источника питания Е= 10 В, выходное напряжение инвертора U_вых = 220 В , выходной ток I_вых = 0,1 А и частота преобразование f_пр=1 кГц.

Решение : 1 Максимальное значение коллекторного тока каждого транзистора равно

I_к.макс. = (I _вых.·U_вых ) / Е·η ,

I_к.макс = (0,1 ·220 ) / 10 · 0,8 = 2,75 А

где принят К.П.Д. инвертора η = 0,8

2 Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером каждого транзистора в двухтактной схеме равно

U_КЭ.нас = 1,2 ·κ_зап.· Е ,

U_КЭ.нас = 1,2 · 2 · 10 = 24 В.

где κ_зап =2 запас по допустимому напряжению.

3 По значениям I_к.макс и U_КЭ.нас выбираем тип транзистора КТ816 Б со следующими параметрами I_{к.максдоп.} = 3 А, U_{КЭ.нас.доп.} = 45 В. Р _{к макс. Доп}.= 25 Вт. , предельная частота f_пр. = 1 МГц.

Задача 2

Рассчитайте пассивные элементы в инверторе ( рисунок 2.72 ) , если максимальный коллекторный ток равен I_к.макс = 2,75 А, статический коэффициент передачи тока h_21Э = 25, напряжение источника питания Е= 10 В.

Решение : 1 Вычисляем сопротивления делителя напряжения R₁ и R₂ . Ориентировочное сопротивление резистора R₁ определяется по формуле

R₁ = (3…4) h_21Э / I_к.макс·К_нас ,

R₁ = 4 · 25 / 2,75 · 2 = 18 Ом.

где коэффициент насыщения К_нас = 2.

Выбираем по стандарту значение R₁ = 18 Ом.

2 Вычисляем величину сопротивления резистора R₂ . Задаваясь падением напряжения на резисторе U_R1 = 1 В.

R₂ = ( Е - U_R1 ) / ( U_R1 / R₁ ) ,

147

R₂ = ( 10 – 1 ) / (1/18) = 161 Ом

Выбираем по стандарту значение R₂ = 160 Ом.

3 Определяем мощность резисторных делителей R₁ и R₂

Р _R1 = U ²_R1 / R₁ ,

Р _R1 = 1²/ 18 = 0,055 Вт,

Р _R2 = U ²_R2 / R₂ ,

Р _R1 = 9²/ 160 = 0,5 Вт,

Определяем по стандарту значения резисторов

R₁ - С2-33 – 0,125 Вт – 18 Ом ± 5 % ,

R₂ – С2-33 – 0,5 Вт – 160 Ом ±5%.

4 Ёмкость блокировочного конденсатора С₁ выбирается в пределах 0,5 …1 мкФ.

По стандарту выбираем К73 – 17 – 0,68 мкФ × 63 В ±10%.

Задача 3

Рассчитайте величину ёмкости конденсатора С₁ и С₂ в полумостовом инверторе

( рисунок 2.73 ), если напряжение источника питания Е= 10 В , частота преобразования f_пр =10·10³ Гц, изменения напряжения на конденсаторах

∆U = 1 В, нагрузочное сопротивление инвертора, приведенное к первичной обмотке трансформатора R'_н = 10 Ом.

Решение : 1 Коэффициент пульсации напряжения на конденсаторе равна

k_п = ∆U_с / 0,5· U_п ,

k_п = 1 / 0,5 10 = 0,2

2 Ёмкость конденсаторов, на которых напряжение составляет 0,5 U_п определяется по формуле

С₁=С₂ ≥ 1 / 2· R'_н ·f_пр ·k_п ,

С₁=С₂ ≥ 1 / 2 ·10 · 10 ·10³ · 0,2 = 25 мкФ.

По стандарту выбираем С₁=С₂ - К50-35 – 30 мкФ × 25 В ±10%.

Задачи для самостоятельной работы

1 Выберите транзистор для инвертора ( рисунок 2.72 ) для следующих исходных данных : напряжение источника питания Е= 24 В, выходное

148

напряжение инвертора U_вых = 127 В , выходной ток I_вых = 0,2 А и частота преобразование f_пр=10 кГц.

2 Рассчитайте пассивные элементы в инверторе ( рисунок 2.72 ) , если максимальный коллекторный ток равен I_к.макс = 5 А, статический коэффициент передачи тока h_21Э = 40, напряжение источника питания Е= 6 В.

3 Рассчитайте величину ёмкости конденсатора С₁ и С₂ в полумостовом инверторе ( рисунок 2.73 ), если напряжение источника питания Е= 24 В , частота преобразования f_пр =20·10³ Гц, изменения напряжения на конденсаторах

∆U = 0,1 В, нагрузочное сопротивление инвертора, приведенное к первичной обмотке трансформатора R'_н = 5 Ом.

Литература

1 Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кинотехнической аппаратуры.-К.: Вища школа, 1986. с.181…184, 202…219.

2 Прянишников В.А. Электроника. Полный курс лекций.-4-е изд.СПб.:КОРОНА принт.,2004.с. 356…361.

3 Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.- К.:Вища школа, 1989. с.382…384.

4 Артомонов Б.И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоаппаратуры.- М.: Энергоиздат, 209…217.

5 Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого – цифровых электронных устройств. 2 – е изд. испр. – М.: Издательский дом « Додэка – ХХ1», 2007. – 528с., с.288..303.

149

Лекция 24

Экспресс - проверка знаний пройденного материала :

1 Нарисуйте упрощенные структурные схемы ИВЭП.

2 Нарисуйте структурную схему простейшего преобразователя напряжения.

3 Нарисуйте принципиальную схему однотактного прямоходового

преобразователя напряжения.

4 Нарисуйте принципиальную схему транзисторного двухтактного инвертора.

5 Нарисуйте принципиальную схему силового каскада мостового инвертора.

6 Нарисуйте принципиальную схему силового каскада полумостового инвертора.

7 Нарисуйте схему резонансного преобразователя, работающего при нулевом

токе переключения ( ПНТ – преобразователь ).

8 Нарисуйте схему преобразователя с переключением при нулевом напряжении,

эпюры напряжений и токов.