книги из ГПНТБ / Басовский, В. Ф. Транзисторные преобразователи напряжения

через активное состояние. Поэтому процесс переключе­ ния в основном описывается параметрами активной обла­ сти. В отличие от идеального переключающего элемента, у которого время включения и выключения бесконечно малы, у транзистора оно зависит от схемы включения и ве­ личины сигнала управления. При подаче на вход транзис­ тора сигнала управления прямоугольной формы ток на входе возрастает по экспоненциальному закону и за время /ф (время фронта) достигает 90% своего максимального зна­ чения. По окончании сигнала управления в выходной цепи еще продолжает некоторое время протекать ток.

Время увеличения выходного импульса определяется вре­ менем рассасывания носителей. По истечении времени рас­ сасывания tp ток в выходной цепи убывает по экспоненци­ альному закону и через промежуток tc (время спада) до­ стигает 10% величины максимального значения.

Характер процесса переключения аналогичен для всех схем включения транзисторов, но абсолютные значения ве­ личин /ф, tp и tc для различных схем включения различны. В табл. 1 приведены соотношения для расчета времени пе­ реключения плоскостных транзисторов, которые нашли ши­ рокое применение в преобразователях напряжения. Время переключения транзистора уменьшается с повышением гра­ ничной частоты. Время нарастания тока t$ в выходной це­ пи можно снизить, увеличив управляющий сигнал. Как показали исследования [14], при токе управления, обеспе­ чивающем глубину насыщения 1,5—2, транзистор имеет уже минимальное время нарастания фронта.

Неидеальность транзистора, как ключа, обусловливает наличие потерь в режиме переключений. Возникающие по­ тери в выходной цепи транзистора состоят из четырех со­ ставляющих:

потери в состоянии отсечки

1К0Тс = -К.кш Кч.макс^отс,

потери в состоявши насыщения

№нас = I т.макс^ т.мин^нао»

12

Таблица 1

Соотношения для определения времени переключения транзисторов

Схема включения транзисторов

потери при переходе транзистора из состояния отсечки в состояние насыщения

О

потери при переходе транзистора из состояния насыще­ ния в состояние отсечки

(с

о

Величина потерь в переходных режимах зависит от тра­ ектории перемещения точки, изображающей состояние тран­ зистора в активной области, которая определяется харак­ тером нагрузки выходной цепи транзистора. При активной нагрузке рабочая точка перемещается по прямой линии

(см. рис. 1,6).

С достаточной для инженерных расчетов точностью закон изменения напряжения и тока в процессе переключений мож­ но считать линейными:

Тогда выражение для величины потерь, определяемых за­ висимостью (3), примет вид

%

ОФ

Аналогично определяем потери при переходе транзистора из состояния насыщения в состояние отсечки

1V7 ^ т . макс^т.максА

<= 6

14

Средняя мощность, рассеиваемая выходной цепью транзис­ тора,

тромагнитных элементов и фильтров, поэтому в каждом кон­ кретном случае максимальному значению к. п. д. соответ­ ствует оптимальная частота.

Из рассмотренных схем прямого включения транзистора в режиме переключений наибольшее распространение в преобразователях напряжения получила схема ОЭ, так как она отличается высоким коэффициентом усиления по мощ­ ности.

Инверсное включение транзистора отличается от пря­ мого обратной полярностью напряжения, приложенного к выводам транзистора в выходной цепи. Отечественной про­ мышленностью выпускаются плоскостные несимметричные транзисторы, у которых площадь эмиттерного перехода значительно меньше площади коллекторного. При инверс­ ном включении свойства несимметричного транзистора су­ щественно отличаются от свойств при прямом включении. При инверсном включении коэффициент усиления по току значительно меньше, однако статические характеристики выходной цепи в области малых напряжений приближаются к характеристикам идеального переключающего элемента. Последнее обстоятельство способствовало широкому при­ менению инверсного включения транзисторов в модуля­ торах усилителей постоянного тока.

15

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СХЕМ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Первые схемы транзисторных преобразователей наг.: . жения были предложены в 50-х годах. В настоящее вр„ известно большое количество схем транзисторных преобра­ зователей, которые усовершенствуются и видоизменяются применительно к конкретным требованиям. Особую группу составляют схемы, которые, помимо преобразования, обес­ печивают стабилизацию выходного напряжения.

По принципу преобразования напряжения различают трансформаторные и бестрансформаторные схемы. Транс­ форматорные схемы состоят из ключевого элемента, транс­ форматора, схемы выпрямления и сглаживающего фильтра. Циклическое прерывание постоянного тока в цепи, в кото­ рой включена первичная обмотка трансформатора, приводит к изменению магнитного потока в сердечнике и к возникно­ вению э. д. с. во вторичной обмотке. Соотношением чисел витков первичной и вторичной обмоток определяется вели­ чина выходного напряжения. Бестрансформаторные схемы состоят из группы ключевых элементов и нескольких на­ копителей электрической энергии. Преобразование напря­ жения осуществляется периодическим подключением на­ копителей параллельно к первичному источнику и последо­ вательно с источником к нагрузке. •

По способу возбуждения различают схемы преобразо­ вателей с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой релаксато­ ры с прямоугольной формой выходного напряжения. Пре­ образователи с независимым возбуждением состоят из за­ дающего генератора, в большинстве случаев выполненного по схеме преобразователя с самовозбуждением, и одного или нескольких каскадов усилителей мощности на транзисторах в режиме переключений.

16

Преобразователи напряжения строят по одной из следу­ ющих схем:

однотактной (схеме Джэнссена и Вийвера) с прямым и Iатным включением выпрямительного диода; •’вухтактной (схеме Роера) симметричной и несимметрич-

остовой; полумостовой с емкостным делителем и без него при пер­

вичном источнике со средней точкой.

В схемах преобразователей выходное напряжение ста­ билизируется изменением амплитуды или формы.

Стабилизация изменением амплитуды (амплитудный метбд стабилизации) осуществляется:

с помощью стабилизаторов постоянного напряжения па­ раметрического и компенсационного типов импульсного либо непрерывного действия;

использованием переключающих транзисторов преоб­ разователя в режиме неполностью открывающегося ключа; с помощью регулируемого вольтодобавочного устрой­

ства.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя методом изменения формы кривой напряжения осуществ­ ляется:

способом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с фазовым управлением и с помощью модуляторов длитель­ ности;

частотным; феррорезонансным способами.

В стабилизированных преобразователях часто выдви­ гается требование стабилизации частоты преобразования. Известны четыре метода стабилизации частоты:

стабилизация напряжения питания преобразователя или его частотззадающей части;

стабчт юация напряжения, прикладываемого к первич­ ной обмотке частотозадающего насыщающегося трансфор­ матора;

стабилизация частоты преобразования частотозависи­ мыми цепями;

стабилизация синхронизацией преобразователя сигна­ лами генератора стабильной частоты.

Г Л А В А II

НЕСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Схемы преобразователей постоянного напряжения из­ вестны давно. Достаточно сказать, что ламповый вариант

А. Г. Александровым [2]. Использование транзистора как переключающего элемента расширило область применения известных ранее схем и существенно изменило характер электромагнитных процессов. Первоначально получили рас­

1.ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

ВСХЕМАХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Однотактная схема транзисторного преобразователя пред­ ложена Дж. Джэнссеном и С. Вийвером. Однотактные схе­ мы чаще всего работают на однополупериодные схемы вы­ прямления с емкостным фильтром. В зависимости от того, в какой промежуток времени протекает прямой ток через выпрямительный диод (когда транзистор открыт или закрыт), различают схемы соответственно с прямым или обратным включением диода.

На рис. 4, а изображена схема с обратным включением диода. При подключении схемы к источнику питания в кол­

18

лекторной цепи транзистора протекает неуправляемый ток, который проходя через коллекторную обмотку ш1; вызывает изменение магнитного потока в сердечнике трансформатора Тр1 и индуктирование э. д. с. в обмотке w6: Обмотка w6 включена таким образом, что протекающий в базовой цепи ток является открывающим для транзистора. Приоткрытие

а — принципиальная схема; б — временные диаграммы.

транзистора приводит к увеличению тока в коллекторной цепи, что в свою очередь, вызывает увеличение тока цепи базы. Лавинообразное развитие процесса заканчивается, когда транзистор переходит в состояние насыщения. При этом все напряжение источника оказывается приложенным к коллекторной обмотке wv Закон изменения тока в цепи кол­ лектора целиком определяется индуктивностью обмотки wv Однотактные схемы преобразователей строятся на транс­ форматорах с воздушным зазором, так как в обмотке wx протекает постоянная составляющая тока. Индуктивность

первичной обмотки близка к линейной, и ток в цепи коллек­ тора нарастает по линейному закону (рис. 4, б) до величины

^а^мако = после чего транзистор выходит из режима насыщения.

Увеличение сопротивления транзистора уменьшает скорость нарастания потока в магнитопроводе, что вызывает измене­ ние направления э. д. с. в обмотках. Напряжение на обмотке w6 изменяет знак, и транзистор переходит в состо­ яние отсечки. Изменение знака напряжения на выходной обмотке w2 приводит к тому, что диод схемы выпрямления оказывается включен в прямом направлении, и энергия, накопленная в электромагнитном поле трансформатора, передается в нагрузку. При отсутствии конденсатора С напряжение на нагрузке равно нулю при открытом тран­ зисторе, с закрытием транзистора оно скачком достигает максимального значения и уменьшается до нуля по экс­ поненте. При наличии конденсатора ток через диод проте­ кает в том случае, когда напряжение на вторичной обмотке превышает напряжение на конденсаторе, а так как величина емкости конденсатора выбирается достаточно большой, то ток через вентиль изменяется линейно от максимального значения до нуля.

Форма прикладываемого к обмотке wx напряжения пря­ моугольная, поэтому индукция в сердечнике трансформа­

изменение индукции в магнитопроводе трансформатора про­ исходит под действием тока, протекающего в коллекторной обмотке .Wj., и весь процесс повторится сначала.

За время открытого состояния транзистора индукция в

20