Типовые энергетические преобразователи

Разнообразие областей применения и требований к параметрам и условиям эксплуатации обусловили весьма широкую номенклатуру силовых устройств, отличающихся выполняемыми функциями, структурой, схемотехническим и конструктивно-технологическим исполнением. Из всего многообразия силовых преобразователей можно сформировать несколько групп, в которых выделить типовые блоки, отражающие характерные черты своего класса.

Сложные силовые устройства могут быть реализованы на основе типовых блоков. Структурные схемы, элементная база и электрические схемы конкретных устройств зависят от большого числа факторов: мощности, уровня и характера напряжений на входе и выходах, типа нагрузки, требований к параметрам, точностных оценок, условий эксплуатации, диапазона изменений внешних воздействий.

При описании силовых преобразователей обычно используется их классификация, основанная на функциональном назначении (выпрямители, инверторы, фильтры, стабилизаторы).

В ы п р я м и т е л и предназначены для преобразования переменного напряжения сети в постоянные напряжения с требуемыми параметрами для электропитания преобразователей и приборов. В зависимости от возможности электрического управления выходным напряжением выделяются выпрямители неуправляемые, выполненные на полупроводниковых диодах, и управляемые (регулируемые), реализуемые на транзисторах или тиристорах. По количеству полупериодов входного синусоидального напряжения, участвующих в образовании выходного сигнала, схемы выпрямителей делятся на однополупериодные и двухполупериодные. Число фаз входного переменного напряжения дает однофазные, трехфазные и многофазные схемы выпрямления.

Простой выпрямитель содержит источник напряжения , к которому подключена через диод нагрузка (рис.12.8,а).

б)

Рис.12.8. Схема однополупериодного выпрямителя (а), графики напряжений и тока (б) и выпрямитель с трансформатором (в)

Нелинейность характеристики диода обуславливает однополярный ток в цепи (рис.12.8,б). При входном напряжении u₁, превышающем уровень отпирания диода U^*, прямой ток создает на выходе напряжение u₂ = u₁ – U_д, отличающееся от входного на падение напряжения на диоде. Последнее равно сумме напряжений отпирания U^* ≈ 0,5…0,7 В и падения на открытом диоде U_пр ≈ . При большой амплитуде входного напряжения U_m >> U^* можно воспользоваться идеальной моделью диода U^*= 0, U_пр = 0 и выходное напряжение записать в виде для и для . Представление полученного выражения в форме ряда дает:

При резистивной нагрузке формы тока и выходного напряжения совпадают. К основным недостаткам схемы простого выпрямителя следует отнести малое значение постоянной составляющей выпрямленного напряжения при высоком уровне пульсаций на частоте f питающего напряжения.

В большинстве приложений выпрямитель подключается к питающей сети через трансформатор (рис.12.8,в). Силовой трансформатор обеспечивает требуемый уровень напряжения и исключает непосредственную связь нагрузочной цепи с сетью питания, что при соответствующем заземлении гарантирует электробезопасность работы с приборами. Основным недостатком являются его большие габариты и масса.

Вследствие низких энергетических показателей простые однополупериодные выпрямители нашли применение только в устройствах с небольшими токами потребления и невысокими требованиями к качеству выходного напряжения. Для улучшения параметров выпрямителей применяются более эффективные схемы (двухполупериодная с трнсформатором или мостовая, с умножением напряжения).

В двухполупериодном выпрямителе на основе трансформатора со средней точкой вторичной обмотки диоды и части вторичной обмотки работают поочередно (рис.12.9,а).

Рис.12.9. Двухполупериодный выпрямитель (а), диаграмма работы (б) и мостовая схема выпрямления (в)

Положительная полуволна синусоидального входного напряжения открывает диод Д₁, который пропускает ток в нагрузку R, а отрицательная полуволна открывает диод Д₂, вызывая в нагрузке ток того же направления не изменяется (рис.12.9,б). При достаточно большой амплитуде входного напряжения выходной сигнал можно описать выражением

.

Спектр выходного напряжения

содержит постоянную составляющую и пульсации, которые имеют большую амплитуду U_п  U₀ и основную частоту, вдвое превышающую частоту питающего напряжения. К недостаткам схемы можно отнести наличие сложного трансформатора с дополнительным выводом (средняя точка вторичной обмотки). Токи в частях обмотки проходят только в течение полупериодов, что не способствует эффективному использованию трансформатора.

Наиболее распространены мостовые выпрямители с трансформатором без средней точки (рис.12.9,в). Мостовая схема осуществляет двухполупериодное выпрямление за счет соединения диодов. Во время положительного полупериода ток проходит через диоды Д₂, Д₄, а во время отрицательного – через диоды Д₁, Д₃. Трансформатор в мостовом выпрямителе используется более эффективно, т.к. ток в выходной обмотке проходит в течение обоих полупериодов. Увеличение вдвое числа диодов компенсируется упрощением конструкции трансформатора. Мостовая схема может подключаться непосредственно к питающей сети без трансформатора.

Для выпрямления напряжений низкого уровня применение мостовой схемы может оказаться неэффективным вследствие большой разницы выходного и входного напряжений из-за падения напряжения на двух последовательно включенных диодах. В этом случае используют трансформаторную схему двухполупериодного выпрямления.

Мощные выпрямители подключаются к сети трехфазного тока через трехфазный трансформатор (рис.12.10,а).

Рис.12.10. Трехфазный выпрямитель (а) и диаграммы его работы (б)

Выпрямитель состоит из трех пар последовательно соединенных диодов, общие точки которых составляют положительный и отрицательный полюсы выходного напряжения. Диоды находятся в проводящем состоянии на интервалах времени, когда напряжение одной фазы превышает напряжения остальных фаз (рис.12.10,б). Диоды нечетной группы открываются в моменты пересечения положительных участков синусоид питающего напряжения , а диоды четной группы – в моменты пересечения отрицательных участков . Каждый из диодов работает в течение одной трети периода, а в системе одновременно проводят ток два диода – один из нечетной, другой – из четной групп. Выпрямленное напряжение u₂ представлено огибающей кривых линейных (междуфазных) напряжений и имеет постоянную составляющую . Выпрямитель характеризуется высоким , эффективным использованием трансформатора (без подмагничивания) и низким уровнем пульсаций.

Реактивные элементы устройств изменяют форму кривых напряжений, что оказывает влияние на моменты переключения выпрямляющих диодов и параметры выпрямителей. Характер процессов в элементах выпрямителя и параметры зависят от вида нагрузки.

Наиболее распространены резистивно-емкостная и индуктивно-резистивные нагрузки. Наличие емкости , включенной параллельно нагрузке R, изменяет режим работы диодов (рис.12.11,а).

Рис.12.11. Выпрямитель с емкостной нагрузкой (а) и диаграммы работы (б)

Импульс тока, проходящего через диоды, заряжает конденсатор (рис.12.11,б). При этом диод находится в открытом состоянии в интервале времени, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора превышает напряжение конденсатора . Конденсатор играет роль накопителя энергии, которая в остальную часть периода поддерживает ток в нагрузке за счет разряда конденсатора. Для определения уровня пульсаций при достаточно коротком импульсе тока можно считать ток разряда конденсатора через нагрузку постоянным I₀ и время разряда равным . Из приближенного соотношения несложно получить амплитуду пульсаций выходного напряжения или в другом виде . При малом уровне пульсаций по сравнению с выпрямленным напряжением соотношения для тока заряда можно получить из условия баланса заряда .

Во многих устройствах нагрузка выпрямителя носит индуктивный характер и ее можно представить в виде последовательного соединения индуктивности и резистора (рис.12.12,а).

Рис.12.12. Выпрямитель с индуктивной нагрузкой (а) и диаграммы работы (б)

Энергия, запасенная в индуктивности, поддерживает ток в нагрузке при уменьшении напряжения на части вторичной обмотки трансформатора. Проанализируем характер установившегося тока через диод Д₁, часть вторичной обмотки трансформатора и индуктивность. К началу положительного полупериода в индуктивности имеется начальный ток I₀, образовавшийся в предшествующем полупериоде (рис.12.12,б). Пренебрегая падением напряжения на открытом диоде Д₁, можно записать решение для тока в RL цепи с начальным условием I₀ при воздействии . Учитывая, что в установившемся режиме значение тока в момент равно начальному , оценку амплитуды пульсаций можно представить в виде .

В момент изменения полярности напряжения на диодах происходит практически мгновенное переключение тока индуктивности в другую обмотку. При этом ток нагрузки изменяется весьма незначительно.

Для обеспечения возможности управления выходной мощностью выпрямителей в схемах диоды заменяют управляемыми полупроводниковыми приборами (тиристорами, транзисторами). Выпрямленное напряжение можно плавно изменять, регулируя момент перевода силового полупроводникового прибора в проводящее состояние.

Двухполупериодный р е г у л и р у е м ы й в ы п р я м и т е л ь на тиристорах повторяет аналогичную схему на диодах, дополненную устройством управления (рис.12.13,а).

Рис.12.13. Схема управляемого выпрямителя (а) и диаграмма его работы (б)

Устройство управления тиристорами в каждой полупериод питающего напряжения вырабатывает импульсы тока управления и (рис.12.13,б). Тиристор отпирается с задержкой относительно начала, а тиристор отпирается в момент . В результате ток нагрузки i(t) зависит от момента отпирания тиристора. Постоянная составляющая выходного напряжения определяется соотношением

.

Существует множество схем на основе управляемых приборов и конструктивных решений регулируемых выпрямителей, которые удовлетворяют широкому спектру поставленных требований.

В большинстве случаев переменная составляющая напряжения (пульсация) на выходе выпрямителя недопустимо велика для работы электрических приборов. Для снижения переменной составляющей выпрямленного напряжения между нагрузкой и выпрямителем включается конструктивно завершенный блок сглаживающего фильтра.

Наибольшее распространение получили однозвенные индуктивно- емкостные (рис.12.14,а) и резистивно-емкостные (рис.12.14,б) фильтры.

Рис. 12.14. Сглаживающие фильтры (а) и (б) типа

В LC фильтрах эффект сглаживания тока реализуется за счет последовательно включенной индуктивности, имеющей высокое сопротивление переменному току, а пульсации напряжения снижаются за счет малого сопротивления конденсатора для переменной составляющей. Анализ частотных характеристик сглаживающих фильтров позволяет определить преобразование спектра сигнала при его прохождении с входа на выход. В силовых устройствах принята интегральная оценка эффективности фильтра, называемая коэффициентом сглаживания q, который равен отношению амплитуд основной гармоники пульсаций на входе и выходе фильтра . Если к силовому преобразователю предъявляются требования по уровню гармонических составляющих на выходе, то можно ввести коэффициенты сглаживания по каждой гармонической составляющей или требуемому числу гармоник.

Определим коэффициент сглаживания LC фильтра с резистивной нагрузкой R на гармонике пульсации . Для обеспечения эффекта сглаживания и исключения резонансных явлений емкостная проводимость должна существенно превышать резистивную и . Для линейной модели фильтра можно получить выражение коэффициента сглаживания на -й гармонике пульсаций в виде

.

Например, включение фильтра с L = 1 Гн и С = 100 мкФ на выход однополупериодного выпрямителя на основной гармонике частоты пульсаций, совпадающей с частотой питающей сети f = 50 Гц, обеспечивает коэффициент сглаживания q ≈ 9 при сопротивлении нагрузки .

Существенным недостатком фильтров являются большие габариты дросселя и технологические сложности его изготовления. Высокий коэффициент сглаживания, реализуемый при малых потерях в контуре, приводит к большой длительности переходных процессов. При малых выпрямленных токах (десятки миллиампер) иногда используют RC фильтры, коэффициент сглаживания которого можно оценить по формуле . Приведенное соотношение справедливо для работы фильтра на нагрузку .

Для увеличения коэффициента сглаживания в мощных выпрямителях используются многофазные схемы, которые обеспечивают относительно небольшой уровень пульсаций с частотой в несколько раз превышающей частоту питающей сети, что позволяет улучшить энергетические показатели и уменьшить массогабаритные параметры фильтров.

Выходное напряжение выпрямителей может изменяться при воздействии дестабилизирующих факторов. Нестабилизированный выпрямитель имеет два основных недостатка:

- большое выходное сопротивление, вызывающее нестабильность выходных характеристик;

- нестабильность входных параметров, связанную с практически единичным коэффициентом передачи вариаций входного напряжения на выход.

С т а б и л и з а т о р постоянного напряжения включается в канал передачи энергии от источника (сети постоянного тока или выпрямителя) к нагрузке для получения выходного напряжения, незначительно зависящего от дестабилизирующих факторов.

В силу слабой зависимости выходного напряжения стабилизатора от колебаний подводимого напряжения он должен значительно снижать уровень пульсаций, т.е. выполнять функции фильтрации. Следует учитывать, что фильтрующие свойства стабилизатора на гармониках пульсаций зависят от его частотной характеристики.

По принципу действия различают параметрические и компенсационные стабилизаторы. Параметрические стабилизаторы используют нелинейность характеристики элемента, подключаемого параллельно нагрузке. На рабочем участке вольт-амперная характеристика стабилизирующего элемента обеспечивает небольшие вариации напряжения в при большом изменении тока. Наиболее распространена схема параметрического стабилизатора на стабилитроне (рис. 12.15,а).

Рис.12.15. Параметрический стабилизатор (а), характеристика стабилитрона (б) и стабилизация с усилением (в)

В полупроводниковых стабилитронах областью стабилизации является обратная ветвь вольт-амперной характеристики p-n перехода (рис.12.15,б). Значение напряжения стабилизации различных стабилитронов находится в пределах от единиц до сотен вольт при токах через стабилитрон от миллиампер до ампер.

Основной характеристикой стабилизатора является коэффициент стабилизации по напряжению, определяемый как отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе:

При изменении входного напряжения на ток через стабилитрон изменится на и вызовет приращение выходного напряжения на , где r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на рабочем участке. Несложные преобразования дают приближенное выражение для вычисления коэффициента стабилизации .

Температурный коэффициент напряжения стабилитрона определяет величину отклонения выходного напряжения при изменении температуры. Для компенсации влияния температуры на характеристики стабилизатора последовательно со стабилитроном включают диод в прямом направлении с противоположным по знаку температурным коэффициентом.

Параметрические стабилизаторы напряжений применяются при малых выходных токах. Максимальная выходная мощность ограничивается предельными значениями тока стабилизации. Мощность нагрузки может быть увеличена включением на выходе эмиттерного повторителя на проходном транзисторе Т_п (рис.12.15,в).

Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными параметрами:

- номинальным входным U₁ и выходным U₂ напряжениями;

- номинальным выходным током I₂ и пределами его изменения;

- относительной нестабильностью выходного напряжения Δu₂ / U₂;

- коэффициентом стабилизации по входному напряжению;

- уровнем пульсаций выходного напряжения;

- выходным сопротивлением;

- температурным коэффициентом изменения выходного напряжения;

- коэффициентом полезного действия.

Для повышения стабильности выходного напряжения применяются двухкаскадные или мостовые схемы, а также более сложные транзисторные структуры. Высококачественные параметрические стабилизаторы применяются в качестве источников опорного напряжения (ИОН) и в других устройствах, в том числе мощных стабилизаторах.

К о м п е н с а ц и о н н ы й стабилизатор использует свойства цепи отрицательной обратной связи, содержащей прецизионный источник опорного напряжения (ИОН), элемент сравнения () и усилитель () разностного сигнала (рис.12.16,а).

Рис.12.16. Структура (а) и схема (б) компенсационного стабилизатора

При отклонении выходного напряжения U₂ от опорного уровня U_оп элемент сравнения вырабатывает разностный сигнал U_р, который усиливается и воздействует на регулирующий элемент (РЭ), управляющий током для получения компенсации изменения входного напряжения. Регулирующий элемент обычно реализуется на основе силового транзистора, который обеспечивает заданный ток нагрузки.

Энергетическую эффективность стабилизатора, характеризуемую КПД можно оценить в предположении, что основные потери энергии приходятся на . В зависимости от режима работы силового полупроводникового элемента (транзистора) при воздействии сигнала управления стабилизаторы делятся на непрерывные (используется линейный усилительный режим) и импульсные (применяется режим переключения).

Разновидности компенсационных стабилизаторов непрерывного типа (аналоговые) отличаются исполнением опорного источника (ИОН), органа сравнения и усилителя сигнала в цепи обратной связи. Стабилизатор с эмиттерным повторителем можно интерпретировать как простую схему, осуществляющую компенсационный принцип управления (рис.12.15,в). Увеличение входного напряжения U₁ вызывает рост тока нагрузки, что приводит к увеличению выходного напряжения U₂. При постоянстве напряжения U_ст на стабилитроне Д (ИОН) происходит уменьшение входного сигнала эмиттерного повторителя (напряжения база-эмиттер транзистора U_бэ = U_ст – U₂ ), которое приводит к уменьшению выходного напряжения. Коэффициент стабилизации приведенной схемы совпадает с коэффициентом стабилизации входящего в устройство параметрического стабилизатора, т. к. коэффициент передачи цепи обратной связи γ_u  1 (равен коэффициенту усиления эмиттерного повторителя). По существу простейший компенсационный стабилизатор можно рассматривать как схему параметрического стабилизатора с выходным эмиттерным повторителем.

Можно существенно повысить коэффициент стабилизации, включив в цепь обратной связи усилитель на транзисторе Т_у, нагрузкой которого служит цепь базы проходного транзистора Т_п (рис.12.16,б). Потенциал эмиттера Т_у задается напряжением U_ст на стабилитроне, а потенциал базы определяется делителем выходного напряжения. Фактически переход база-эмиттер усилительного транзистора включен в диагональ мостовой схемы. Любое изменение выходного напряжения создает входной ток усилителя I_у, вызывающий изменение его коллекторного тока I_к, который в свою очередь приводит к соответствующему изменению базового тока I_б проходного транзистора Т_п и компенсации приращения выходного напряжения за счет изменения его напряжения коллектор-эмиттер. Переменный резистор предназначен для установки требуемого уровня выходного напряжения .

Функциональные блоки устройства управления, осуществляющего обратную связь с выхода стабилизатора на регулирующий элемент и обеспечивающего заданные параметры, выполняют по различным схемам на основе базовых аналоговых преобразователей. Источник опорного напряжения (ИОН) строится на основе стабилитрона, для питания которого используется схема источника тока (токового зеркала). Схема сравнения и усилитель выполняются на основе балансного (дифференциального) каскада или многокаскадного усилителя с входным дифференциальным каскадом.

Конструктивно завершенные стабилизаторы в виде интегральных микросхем, наряду с указанными блоками содержат дополнительные схемы защиты (например, от перегрузки по выходному току). ИМС стабилизаторов обычно рассчитаны на не слишком большие токи (до единиц ампер). Для получения стабилизаторов с большими выходными токами ИМС дополняют внешними проходными транзисторами, чтобы образовать составной транзистор, рассчитанный на требуемую выходную мощность. Мощные проходные транзисторы снабжают теплоотводом с целью предотвращения их перегрева.

Потери мощности на проходном транзисторе, работающем в активном режиме непрерывного регулирования значительны, т.к. изменение его эквивалентного сопротивления должны скомпенсировать влияние дестабилизирующих воздействий во всем заданном диапазоне их вариаций. Запас на регулирование напряжения достигает , что приводит к низкому значению КПД до .

Импульсные компенсационные стабилизаторы напряжения, характеризуемые минимальными потерями энергии за счет использования ключевого режима работы проходного транзистора. В отличие от непрерывного активного режима транзистор большую часть времени находится в состоянии насыщения или отсечки с минимальными уровнями потребления мощности. В результате импульсный стабилизатор потребляемый от источника питания только необходимую энергию, обеспечивая КПД до .

Принцип работы импульсного стабилизатора основан на периодическом подключении на время (открытое состояние проходного транзистора) нагрузки к источнику и ее отключении в остальную часть периода. Структура импульсного стабилизатора во многом повторяет построение последовательного непрерывного стабилизатора. Он содержит источник опорного напряжения, с которым сравнивается уровень выходного напряжения , и управляющее устройство (УУ), формирующее и усиливающее разностный сигнал (рис.12.17,а).

Рис.12.17. Структура импульсного стабилизатора (а) и управляющие импульсы (б)

Отличительной особенностью является наличие широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и сглаживающего фильтра (Ф). При изменении входного напряжения (или тока нагрузки) разностный сигнал поступает на модулятор, который вырабатывает управляющее напряжение в виде периодической с периодом Т последовательности импульсов изменяемой длительности (рис.12.17,б). Последовательность с модуляцией (изменением) ширины (ШИМ) имеет постоянную составляющую , которая выделяется с помощью сглаживающего фильтра Φ. Цепь обратной связи с управляющим устройством УУ регулирует длительность таким образом, чтобы выходное напряжение с определенной погрешностью поддерживалось неизменным.

В импульсных стабилизаторах применяются преимущественно ключи на транзисторах различного типа (например, полевом с индуцированном каналом) и сглаживающие фильтры (рис.12.18,а).

Рис. 12.18. Схема силовой части последовательного (понижающего) стабилизатора (а) и диаграмма его работы (б)

При открытом транзисторе Т_к на интервале под действием напряжения ток i₁ проходит в нагрузку через дроссель L, в котором происходит накопление энергии (рис.12.18,б). При закрытом транзисторе в течение паузы запасенная энергия через разрядный диод передается в нагрузку. Конденсатор фильтра служит для сглаживания кривой выходного напряжения. Поскольку частоту следования импульсов обычно выбирается достаточно высокой (десятки килогерц), то габариты элементов фильтра не слишком велики.

В приведенной последовательной схеме стабилизатора выходное напряжение принципиально меньше входного и такие стабилизаторы называют понижающими.

Импульсный параллельный стабилизатор содержит силовой транзистор Т_п, подключенный через блокирующий диод Д параллельно нагрузке; запасающий энергию дроссель присоединен непосредственно к источнику питания (рис.12.19,а).

Рис.12.19. Схема повышающего стабилизатора (а) и выходное напряжение (б)

При открытом силовом транзисторе Т_п входной ток проходит через него и дроссель , накапливающий энергию. Блокирующий диод при этом закрыт за счет напряжения на нагрузке, что предотвращает разряд конденсатора через открытый транзистор. В следующий интервал, когда регулирующий транзистор закрыт, диод открывается, и разрядный ток индуктивности подзаряжает конденсатор, повышая напряжение нагрузки, которое становится больше входного (рис.12.19,б). Кратность повышения напряжения зависит от индуктивности дросселя L, параметров нагрузки и , скважности импульсной последовательности . В реальных схемах кратность невелика () и снижается при увеличении тока нагрузки. В данной схеме дроссель L не является элементом фильтра, что приводит к значительному уровню пульсаций.

Схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения (стабилизаторов) различаются построением управляющих устройств, модуляторов, силовой части и сглаживающих фильтров.

И н в е р т о р ы представляют собой устройства, преобразующие постоянное напряжение питающей сети в переменное напряжение с постоянной или регулируемой частотой. По числу фаз выходного напряжения инверторы подразделяются на однофазные и трехфазные. Инверторы строят по принципам однотактного (энергия передается в нагрузку в течение одной части периода) или двухтактного преобразования. Различают преобразователи с самовозбуждением (автогенераторы) и принудительным возбуждением (усилители мощности).

Однотактный инвертор выполняется по схеме релаксационного автогенератора на транзисторе с положительной обратной связью через обмотки трансформатора (рис. 12.20).

Рис.12.20. Схема однотактного автономного инвертора (а), напряжение его выхода (б) и двухтактный инвертор (в).

При включении источника электропитания на базу транзистора Т₁ поступает через резистор отпирающее напряжение. Ток открытого транзистора, проходящий через первичную обмотку трансформатора, включенного в коллекторную цепь, создает магнитный поток Ф. Нарастание тока и магнитного потока вызывает напряжение на обмотке, включенной в базовую цепь таким образом, что она способствует увеличению тока (создает эффект положительной обратной связи). При достижении насыщения транзистора рост тока коллектора и магнитного потока сердечника прекращается, и индуцируемое напряжение спадает до нулевого значения. Последующее уменьшение тока приводит к изменению полярности напряжения на базовой обмотке и лавинообразному процессу запирания транзистора. Затем процесс отпирания транзистора повторяется, и выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов, длительность которых зависит от параметров схемы.

Однотактная схема нерациональна вследствие однополярных импульсов тока в обмотке трансформатора, которые приводят к подмагничиванию и уменьшению эквивалентной индуктивности.

Двухтактный преобразователь выполняется по симметричной схеме на транзисторах Т₁ и Т₂, к коллекторам которых подключены секции первичной обмотки трансформатора (рис.12.20,б). Глубокая положительная обратная связь реализуется посредством дополнительных обмоток, включенных в базовые цепи транзисторов. Источник входного постоянного напряжения подключается к среднему выводу первичной обмотки трансформатора и эмиттерам транзисторов (общей точке схемы).

При включении источника питания вследствие неидентичности параметров ток одного из транзисторов больше, чем второго. Обмотки обратной связи подключены таким образом, что поддерживают нарастание преобладающего тока до состояния насыщения транзистора. Переключение транзисторов начинается при достижении насыщения сердечника трансформатора, когда напряжения на обмотках уменьшаются и затем изменяют полярность. Глубокое насыщение сердечника трансформатора и большие токи транзисторов приводят к увеличению потерь энергии в преобразователе. Для предотвращения насыщения трансформатора в цепь обратной связи вводят дополнительные элементы (дроссель, переключающий трансформатор), которые управляют работой транзисторов.

Основным условием надежной работы автогенераторных преобразователей является обеспечение надежного запуска при включении электропитания. В ряде устройств применяют дополнительные цепи запуска.

Для инверторов с большой выходной мощностью используются различные структуры с независимым возбуждением на основе силовых транзисторов или тиристоров. В состав преобразователя входит два блока: усилитель мощности (УМ) и задающий генератор (ЗГ), который управляет процессом переключения силовых элементов усилителя (рис.12.21,а).

Рис.12.21. Структура инвертора с зависимым возбуждением (а) и схеме двухтактного преобразователя (б).

Двухтактные транзисторные усилители с выходным трансформатором являются основными схемами низковольтных преобразователей (рис.12.21,б).

Напряжение управления вырабатывается задающим генератором импульсов (например, мультивибратором с парафазным каскадом на выходе). Под действием входного напряжения управления в первый полупериод один из транзисторов открыт (находится в состоянии насыщения), а второй закрыт. Во второй полупериод управляющего напряжения транзисторы переключаются. В результате на выходной обмотке трансформатора (Тр) формируется переменное напряжение по форме близкое к меандру (последовательности прямоугольных импульсов с равной длительностью импульса и паузы).

Достоинством инверторов с задающим генератором является возможность управления частотой преобразования и ее независимость от уровня постоянного напряжения питания и нагрузки. Выходная мощность задающего генератора должна обеспечить режим переключения силовых транзисторных ключей, в качестве которых для увеличения коэффициента передачи тока часто используют составные транзисторы. Во входной цепи управления силовыми транзисторами в ряде случаев применяют управляющий трансформатор.

К недостаткам рассмотренного двухтактного усилителя следует отнести наличие трансформатора со средней точкой. Ток в каждой секции обмотки проходит только в течение полупериода. К закрытому транзистору приложено удвоенное напряжение электропитания. В преобразователях повышенной мощности применяются мостовые схемы (рис.12.22).

Рис.12.22. Схема мостового инвертора на транзисторах.

Сигналы управления поочередно подаются на пары транзисторов, составляющих мостовую схему. В первый полупериод под действием сигнала u_у1 открыты транзисторы Т₁ и Т₄, а через половину периода состояние транзисторов изменяется на противоположное и ток в первичной обмотке трансформатора Тр изменяет свое направление. Использование трансформатора в мостовой схеме значительно лучше, чем в двухтактном усилителе с отводом от средней точки трансформатора. Это достигается за счет удвоения числа силовых транзисторов и усложнения схемы выходного каскада задающего генератора. В современных инверторах широко применяются мощные силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором , управление которыми осуществляют непосредственно с выходов цифровых логических схем, что позволяет повысить гибкость управления. Инверторы на транзисторах работают при частотах коммутации до сотен килогерц.

Для преобразования высокого постоянного напряжения большой мощности используются инверторы на тиристорах, включение которых осуществляется импульсами от устройства управления.