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

где Qct — сечение магнитопровода; tu — время открытого состояния транзистора; и — мгновенное значение напряже­ ния, приложенного к обмотке, для идеального ключа и —

= и п.

Из уравнения (5) получаем выражение длительности открытого состояния транзистора

Из формулы (6), задавшись длительностью открытого состояния транзистора, определяем число витков коллек­ торной обмотки

Энергия, накапливаемая в трансформаторе за время от­ крытого состояния транзистора tu, передается конденсатору С, который непрерывно'питает нагрузку

И2

Ра — _— мощность, выделяемая в нагрузке; ri — к. п. д.

Ли

передачи преобразователем энергии от источника в нагрузку;

образователем от источника за время открытого состояния транзистора.

Из соотношения (7) определяем время закрытого сос­ тояния транзистора

Подставив значения входящих в выражение величин, получим

21

Из выражения (8) видно, что длительность закрытого состояния транзистора при неизменных параметрах схемы преобразователя зависит от величины нагрузки.

Разделение во времени этапов накопления энергии в трансформаторе и передачи ее конденсатору обусловливает то, что

U2

= -дГ- = const,

следовательно, значение напряжения на нагрузке опреде­ ляется величиной сопротивления резистора нагрузки и не зависит от соотношения числа витков вторичной и первичной обмоток.

Напряжение на коллекторном переходе во время за­ крытого состояния транзистора

где t/д — падение напряжения на выпрямительном диоде. Число витков вторичной обмотки w.2 следует выбирать из условия, чтобы напряжение на коллекторном переходе

не превышало допустимого значения. Приняв UKб = UK6.MaKC, определим число витков вторичной обмотки из соотноше­ ния (9)

Число витков базовой обмотки

щ и б

Щ

UWl

При открытом транзисторе к выпрямительному диоду приложено обратное напряжение

^ . о б р ^ н + ^ п -

22

Однотактная схема с прямым включением диода отлича­ ется от схемы, изображенной на рис. 4, а встречным вклю­ чением диода. При этом вторичная обмотка питает нагруз­ ку тогда, когда транзистор открыт. Однако схема прак-

Рис. 5. Двухтактный преобразователь:

а — принципиальная схема; б — временные диаграммы.

тического применения не получила из-за значительных перенапряжений, возникающих при запирании транзистора.

Двухтактная схема транзисторного преобразователя предложена Роером (рис. 5, а). Двухтактная схема обычно работает на двухполупериодную схему выпрямления, в этом случае ее можно представить, как объединенные две однотактные схемы с прямым включением диода.

Схема состоит из двух транзисторов Т 1 и Т2, базового резистора R6 и трансформатора Тр, на котором намотаны две коллекторные обмотки и w2, две базовые w6 и w& и выходная обмотка w2.

При подключении схемы к источнику питания оба тран­ зистора оказываются под напряжением и по их коллек­ торным цепям начинают протекать неуправляемые токи

23

коллекторных переходов. Эти токи, протекая по обмоткам

w± и w\, создают в магнитопроводе трансформатора направ­ ленные встречно магнитные потоки. При полной идентич­ ности транзисторов и симметрии схемы суммарный поток в магнитопроводе равен нулю. Однако, вследствие разброса параметров транзистора поток изменяется в направлении действия большего тока. Изменение потока вызывает э.д. с. на всех обмотках трансформатора. Базовые обмотки под­ ключены к транзисторам таким образом, что обеспечива­ ется положительная обратная связь. Последнее способ­ ствует лавиноподобному процессу достижения транзисто­ ром с большим неуправляемым током состояния насыщения и с меньшим неуправляемым током состояния отсечки. Неизменность напряжения источника питания, которое почти все приложено к коллекторной обмотке, обусловли­ вает линейный закон изменения индукции в магнитопрово­ де трансформатора. Мгновенное значение тока открытого транзистора

Транзистор остается в состоянии насыщения пока вы­ полняется условие

^и^макс < Bi6.

С увеличением индукции в магнитопроводе трансформа­ тора ток в цепи коллектора увеличивается за счет роста тока намагничивания ф. Когда коллекторный ток достигает зна­ чения, при котором транзистор выходит из состояния на­ сыщения, сопротивление транзистора резко возрастает. Скорость нарастания индукции в магнитопроводе умень­ шается и, как следствие, изменяются полярности индукти­ рованных в обмотках э. д. с. Ранее открытый транзистор переходит в состояние отсечки, а закрытый — в состояние насыщения. Магнитный поток в сердечнике трансформатора

24

изменяет направление и будет увеличиваться в этом направ­ лении до тех пор, пока ток в цепи коллектора за счет тока намагничивания не достигнет величины, при которой от­ крытый транзистор выйдет из состояния насыщения. В даль­ нейшем процесс повторяется.

Магнитопроводы трансформаторов обычно выполняют \ из материалов, петля гистерезиса которых близка к прямо­ угольной. При этом выход транзистора из состояния на­ сыщения совпадает с моментом насыщения магнитопровода. Магнитная индукция за время открытого состояния одного транзистора изменяется от насыщения в одном направлении до насыщения в противоположном направлении, что опре­ деляет длительность полупериода генерирования схемы. Пренебрегая падениями напряжения на транзисторе в состоянии насыщения и на активном сопротивлении об­ мотки, записываем

0,5f

Из соотношения (10) после интегрирования для частоты генерации схемы получаем

25

Во время работы двухтактной схемы к транзистору, ко­ торый находится в состоянии отсечки, приложено напряже­ ние

ток Шх и fflj. В соответст­ вии с уравнением (11) разное число витков приводит к пропорциональному изменению длительностей полупериодсв. Все полученные соотношения для симметричной схемы спра­ ведливы и для несимметричной. Несимметричные двухтакт­ ные схемы применяют в стабилизированных источниках пи­ тания с широтно-импульсным регулированием.

Мостовая схема транзисторного преобразователя изобра­ жена на рис. 6, а. Четыре транзистора образуют мост, в одну

диагональ которого включен источник питания, в другую — первичная обмотка трансформатора. Трансформатор со­ держит также четыре базовых обмотки w6 и выходную ша.

Первоначальное изменение магнитного потока в сердеч­ нике трансформатора после подключения источника пита­ ния происходит под действием тока, протекающего в диа­ гонали моста, обусловленного разбалансом за счет неидентичности транзисторов. Частота генерации и число витков обмоток трансформатора определяются полученными ра­ нее соотношениями для двухтактной схемы с тем лишь от­ личием, что первичная обмотка работает оба полупериода.

В мостовой схеме преобразователя к транзистору в за­ крытом состоянии приложено напряжение

UK3 — Un — 2Uкэ.н,

где UKэ.н — падение напряжения на транзисторе в сос­ тоянии насыщения. Мостовые схемы транзисторных преоб­ разователей применяют при повышенных напряжениях пер­ вичного источника.

Полумостовая схема преобразователя образуется из мо­ стовой схемы заменой двух последовательно соединенных транзисторов емкостным делителем (рис. 6, б). Каждый из конденсаторов в схеме заряжается до напряжения 0,5 Uu. При поочередном открытии транзисторов конденсаторы раз­ ряжаются на первичную обмотку трансформатора. Частота генерации и число витков обмоток трансформатора опреде­ ляется по соотношениям, аналогичным уравнениям (11) — (14) с той лишь разницей, что напряжение, приложенное к первичной обмотке, равно 0,5 Un.

Величина емкости конденсатора делителя выбирается достаточно большой из соображений допустимого спада на­ пряжения за время разряда конденсатора

Т

где Uс и Uc — напряжение на емкости соответственно в

начале и в конце полупериода; RH— приведенное к пер­ вичной обмотке сопротивление нагрузки.

Величина мощности, которую можно преобразовать полумостовой схемой, ограничивается весо-габаритными дан-

Рис. 7. Схемы усилителей мощности:

а — двухтактная; б — мостовая; в — полумостовая со средней точкой; г -• полумостовая с емкостным делителем.

ными емкостей делителя. Полумостовая схема может быть выполнена и без емкостного делителя, если источник пи­ тания имеет отвод от средней точки.

Транзисторные преобразователи с независимым возбу­

ждением применяются при преобразовании мощности 50 вт и более. Они состоят из задающего генератора, собранного по одной из схем преобразователя с самовозбуждением,

28

и усилителя мощности, транзисторы которого работают в режиме переключений.

Усилитель мощности может быть собран по одной из четырех схем, изображенных на рис. 7.

Наибольшее распространение получили двухтактные схемы усилителя мощности, которые применяют при напря­ жении первичного источника до 30 в, и мостовые схемы,

жена на рис. 8. Сущность преобразования напряжения этими схемами заключается в том, что емкостный накопитель элек­ трической энергии периодически подключается к источнику параллельно в период заряда и последовательно в период разряда. Конденсатор С1 через транзистор Т2 и диод Д 1 подключается к источнику питания. В последующий мо­ мент времени конденсатор С1 через транзистор Т 1 и диод Д2 подключается последовательно к источнику, при этом напряжение на конденсаторе С2

U C i ~ 2 U n .

Величина конденсаторов выбирается из условий до­ пустимой величины спада напряжения за время разряда и допустимой величины переменной составляющей на

29

конденсаторе. Коммутирующие транзисторы обычно управля­ ются от схемы мультивибратора, что дает возможность пол­ ностью исключить электромагнитные элементы из схемы.

Основным недостатком бестрансформаторных схем яв­ ляется то, что выходное напряжение преобразователя долж­ но быть кратно величине напряжения первичного источника. Зависимость пульсации на выходе схемы от величины ком­ мутируемой емкости обусловила применение этих схем для преобразования малых мощностей.

2. УЛУЧШЕННЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Важным процессом в схемах преобразователей является надежное возбуждение схемы. Преобразователь возбужда­ ется за счет несимметричности схемы, в первую очередь, неидентичности транзисторов. С понижением тем­ пературы неуправляемые токи транзистора значительно уменьшаются, а следовательно, ухудшаются условия запус­ ка. Дать количественный анализ условий запуска не пред­ ставляется возможным из-за большого числа взаимосвязан­ ных, изменяющихся в широком диапазоне от схемы к схеме величин. В работах [31, 32] сделана попытка провести ана­ лиз условий запуска схем преобразователей, однако боль­ шое количество допущений, к которым пришлось прибегнуть, привело к тому, что полученные соотношения только ка­ чественно отражают характер изменения пусковых свойств схем.

Автором исследовались различные варианты схем запуска преобразователей (рис. 9) при наихудших условиях: при изменении температуры от + 45 до —50° С, медленном возрастании питающего напряжения (4—5 сек) и номиналь­ ной нагрузке. Критерием оценки эффективности схемы запуска при хорошей возбуждаемости выбрано минималь­ ное увеличение тока, потребляемого схемой преобразова­ теля, при подключении цепочки, улучшающей запуск. Схемы рис. 9 расположены в последовательности с улуч-

30