7.3 Двухтактный транзисторный преобразователь
Преобразователь представляет собой блокинг-генератор, предназначен для преобразования напряжения постоянного тока одной величины в напряжение постоянного тока (конвертор).
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, способности транзисторов усиливать ток, накапливать заряды конденсатором.
Условия возбуждения генератора: баланс амплитуд и баланс фаз.
Рисунок 7.3 – Схема двухтактного транзисторного преобразователя напряжения постоянного тока
Резисторы R1, R2 и конденсатор C1 – обеспечивают пуск преобразователя.
Транзисторы VT1, VT2 – прерыватели тока, работают поочерёдно в ключевом режиме.
Трансформатор преобразует прерывистый ток в напряжение переменного тока высокой частоты.
Диоды VD1VD4 преобразуют переменный ток высокой частоты в пульсирующий ток.
Конденсаторы С2, С3 и дроссель L1 сглаживают пульсации тока до нормы.
Включаем питание. В первый момент происходит пуск преобразователя. Ток проходит через резисторы R1, R2. Уменьшенное напряжение поступает на базы транзисторов VT1, VT2. Так как транзисторы отличаются по параметрам, один из транзисторов VT1 открывается, а другой закрывается. В линейном режиме работает транзистор VT1. Коллекторный ток транзистора увеличивается, возникает магнитный поток в сердечнике трансформатора, в обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции. Ток базы транзистора VT1 увеличивается, возрастает ток коллектора и магнитный поток в сердечнике, ток базы становится больше. Происходит насыщение сердечника, транзисторы теряют управление по базе. Индуктивность обмотки трансформатора уменьшается, ток коллектора транзистора резко увеличивается. Магнитное поле трансформатора уменьшается, возникает ЭДС другого знака, начинается регенеративный процесс. Транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается и процесс повторяется. Во вторичной обмотке возникает переменный ток высокой частоты, который преобразуется диодами в пульсирующий ток. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации тока до нормы. На нагрузке получаем напряжение постоянного тока другой величины.
Достоинства: высокий КПД, небольшой вес и габариты, при коротком замыкании элементы не выходят из строя.
Недостатки: напряжение зависит от нагрузки, имеет место возрастания тока коллектора при насыщении сердечника трансформатора.
Применение: при небольшой мощности и мало изменяющейся нагрузке.
7.4 Преобразователи на тиристорах
При большой мощности для питания аппаратуры связи применяют инверторы на тиристорах, обладающих двумя устойчивыми состояниями.
Автономные тиристорные инверторы, нагрузка которых не содержит других источников энергии переменного тока, предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение промышленной частоты.
Классификация преобразователей на тиристорах:
Инверторы тока – включаются к источнику через дроссель, форма напряжения зависит от нагрузки.
Инверторы напряжения – включаются непосредственно к источнику преобразуемого напряжения.
По способу включения коммутирующего конденсатора к нагрузке тиристорные инверторы разделяются на параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.
Двухтактный параллельный тиристорный инвертор
Тиристорный инвертор предназначен для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока для питания аппаратуры связи.
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, способности конденсатора накапливать электрическую энергию, вентильных свойствах диодов и тиристоров, прерывании тока в первичной обмотке трансформатора.
Рисунок 7.4 – Схема тиристорного инвертора
Тиристоры являются прерывателями тока.
Диоды VD1, VD2 улучшают качественные показатели преобразователя, возвращают часть энергии в источник, делают жёсткой внешнюю характеристику преобразователя.
Диоды VD3, VD4 препятствуют разряду конденсатора, что позволяет уменьшить ёмкость конденсатора.
Конденсатор и дроссель – коммутирующие элементы, предназначены для запирания тиристоров.
Трансформатор служит для преобразования напряжения переменного тока.
Схема управления вырабатывает импульсы в противофазе для включения тиристоров.
Включаем источник питания, тиристорный инвертор начинает функционировать.
Схема управления выдаёт импульс, включающий тиристор VS1, его сопротивление быстро уменьшается.
Протекает ток от источника по первичной обмотке трансформатора через дроссель L1. В сердечнике создаётся магнитный поток под действием которого в обмотках трансформатора –возникает ЭДС самоиндукции (первичной), ЭДС взаимоиндукции (во вторичной). Напряжение первичной обмотки складывается с напряжением источника питания и происходит заряд коммутирующего конденсатора. Ток заряда проходит от обмотки через конденсатор, тиристор, дроссель к источнику питания. Конденсатор в течение короткого времени заряжается до удвоенного значения напряжения питания.
Схема управления через время равное половине периода выдаёт импульс включения тиристора VS2, его сопротивление быстро уменьшается.
Плюс коммутирующего конденсатора подключается к катоду тиристора VS1, запирает его под действием обратного напряжения. Электрическое сопротивление тиристора VS1 возрастает и ток начинает протекать через тиристор VS2. Магнитное поле сердечника трансформатора изменяет направление. Возникающие ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции в обмотках изменяют полярность. Коммутирующий конденсатор перезаряжается через открытый тиристор VS2. В дальнейшем процесс повторяется с частотой подачи импульсов управления. На нагрузке возникает переменное напряжение, форма кривой которого зависит от величины и характера нагрузки.
При низкой частоте работы инвертора, чтобы уменьшить ёмкость коммутирующего конденсатора вводят отсекающие диоды, которые препятствуют разряду конденсатора, напряжение его остаётся неизменным.
Достоинства: высокий коэффициент полезного действия.
Недостатки: форма напряжения преобразователя отличается от синусоидальной формы, инвертор работоспособен только в определённом диапазоне изменения нагрузки.
Применение: для питания потребителей напряжения переменного тока промышленной частоты, для обеспечения гарантированного питания.
Расчет преобразователя на компьютере производится в соответствии с индивидуальным заданием.
Инвертор ИТ-0,3
Инвертор предназначен для обеспечения питания потребителей стабилизированным напряжением переменного тока.
Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в переменный ток, повышает напряжение до номинального значения Uн = 220 В.
Рисунок 7.5 – Структурная схема инвертора
Схема инвертора двухтактная, переключение прерывателей тока осуществляется импульсами, поступающими от отдельного задающего генератора. Происходит преобразование постоянного тока в прерывистый ток и изменение напряжения с помощью трансформатора.
Рисунок 7.6 – Принципиальная схема инвертора ИТ-0,3
Назначение основных элементов схемы инвертора
Аккумуляторная батарея – источник постоянного тока.
Микросхема D1.1 – генератор прямоугольных импульсов.
Микросхема D2.1 – триггер, уменьшает число импульсов 2 раза.
Микросхема D5.1 и D5.2 – создают паузу между импульсами при полном ШИМе.
Микросхемы D6 и D7 – инвертируют и усиливают импульсы.
Транзисторы VТ3 – VТ5 и VТ8 – VТ10 – являются прерывателями тока.
Трансформатор Т1 – преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, обеспечивает электрическую развязку цепей питания и нагрузки.
Транзистор VТ7 – создаёт цепь протекания тока полуобмотки трансформатора в паузе между рабочими импульсами.
Транзистор VТ6 – усиливает импульсы управления транзистора VТ7.
Микросхема D4 компаратор схемы стабилизатора.
Транзистор VТ1 используется для разряда конденсатора.
Транзистор VТ2 обеспечивает защиту инвертора от перегрузок по току.
Работа силовой части и схемы управления инвертора
Аккумуляторная батарея подключается на вход инвертора (Х1 и Х2).
При включении автоматического выключателя Q1 от аккумулятора в схему инвертора начинает поступать постоянный ток. Инвертор начинает функционировать.
Постоянный ток через входной фильтр защиты от помех подаётся на параметрический стабилизатор питания схемы управления (R9, С5, VD4).
Задающий генератор (D1.1) вырабатывает импульсы с частотой 100 Гц.
Импульсы поступают на триггер (D2.1.), который обеспечивает сдвиг импульсов на 180 0. Далее импульсы управления поступают на микросхему D5.1 и D5.2 , где создаётся пауза между импульсами для обеспечения работы инвертора на индуктивную нагрузку. С помощью микросхем D6 и D7 импульсы управления усиливаются, инвертируются и подаются на силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.
Регулирование частоты задающего генератора производится резистором R5.
Постоянный ток поочерёдно проходит или через транзисторы VТ3–VТ5, или через транзисторы VТ8–VТ10. По первичной обмотке трансформатора течёт ток в одном направлении, а затем в другом. В сердечнике трансформатора возникает переменный магнитный поток, во вторичной обмотке возникает ЭДЖС и подаётся переменный ток к нагрузке.
Стабилизация напряжения на выходе инвертора
Переменное напряжение на выходе инвертора поддерживается стабильным по величине с допустимой точностью.
Принцип стабилизации компенсационный, изменяется время насыщенного состояния силовых транзисторов (ШИМ).
Переменное напряжение от обмотки (Т1, 6-7) подаётся на выпрямитель (VD6, R10, С3). Разряд конденсатора происходит через транзистор VТ1, управляемый импульсами с микросхемы D3.1.
На вход компаратора D4 приходят два сигнала: от конденсатора С3 вход 4 и от опорное напряжение с резистора R12. Резистор R13 и стабилитрон VD5 обеспечивают высокостабильное напряжение.
Управляющий импульс с компаратора инвертируется (D1.4) и подаётся на вход триггера микросхемы D2.2. Возврат триггера в исходное состояние осуществляется импульсами от задающего генератора (D3.1).
Силовые транзисторы выключаются раньше или позже, изменяется время насыщенного состояния. Напряжение на выходе инвертора стабилизируется.
Регулирование напряжения на выходе инвертора производится резистором R12.
Защита инвертора от перегрузок по току
Принцип защиты заключается в отключении источника питания электронным способом (прекращается подача импульсов).
С датчика тока (R21, R22, R29, R30) подаётся напряжение на базу закрытого транзистора VТ2. В случае перегрузки транзистор VТ2 открывается, на выходе микросхемы D1.2 появляется логическая единица.
На входах микросхемы D5 (12, 2) возникает сигнал логического нуля, импульсы управления не поступают и силовые транзисторы не включаются.
ЗАПОМНИТЕ
Транзисторные преобразователи работают на высокой частоте, что даёт возможность уменьшить вес и габариты преобразователя.
Тиристорные инверторы работают на промышленной частоте, используются в источниках бесперебойного питания.
Темы докладов и рефератов
Мостовая схема транзисторного инвертора.
Полумостовая схема транзисторного инвертора.
Схема преобразователя с коммутирующим трансформатором.
Транзисторный инвертор с независимым возбуждением.
Многоячейковая схема транзисторного инвертора.
Контрольные вопросы
Назовите типы преобразователей.
Поясните отличие конвертора от инвертора.
Укажите преимущества полупроводниковых преобразователей.
Почему выбирается высокая частота тока преобразователя?
Поясните работу однотактного преобразователя напряжения постоянного тока.
Укажите преимущества двухтактных преобразователей напряжения постоянного тока.
Почему в тиристорном инверторе конденсатор заряжается до удвоенного значения напряжения источника?