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

ДЛЯ формы 3 &Ф =

По полученным соотношениям для форм напряжения 2 и 3 построены графики зависимостей (рис. 16).

1. АМПЛИТУДНЫЙ МЕТОД СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Сущность метода амплитудной стабилизации заключа­ ется в том, что с изменением напряжения первичного ис­ точника амплитудное значение переменного напряжения прямоугольной формы поддерживается стабильным при неизменности его формы.

Стабилизация напряжения транзисторного преобразо­ вателя с помощью стабилизаторов постоянного напряжения компенсационного или параметрического типов является одним из простейших способов амплитудного метода ста­ билизации. Такие схемы состоят из транзисторного стаби­ лизатора напряжения компенсационного типа, преобра­ зователя, собранного по одной из рассмотренных ранее схем, выпрямителя и фильтра. Стабилизаторы непрерывного действия, выполненные по схеме с одним транзистором, обеспечивают коэффициент стабилизации 3—5. При кас­ кадном включении нескольких транзисторов можно полу­ чить коэффициент стабилизации 10—15. Для стабилизации отдельных каналов в некоторых случаях на выходе исполь­ зуется параметрическая стабилизация. Коэффициент ста­ билизации таких схем очень низок.

Более совершенны схемы стабилизации, в которых об­ ратная связь транзисторного стабилизатора вводится с выхода преобразователя (рис. 17). Схема состоит из регули­

41

рующего органа, усилителя*''постоянного тока, первый каскад которого собран по балансной схеме, стабилизатора тока усилителя, полупроводникового преобразователя, вы­ прямителя и фильтра. Схема обеспечивает стабильность вы­ ходного напряжения ±0,8% при изменении нагрузки от нуля до номинала и изменения температуры в диапазоне

Рис. 17. Схема преобразователя со стабилизацией выходного напряжения с помощью транзисторного стабилизатора непрерывного действия.

от —40 до +60° С. Входное напряжение изменяется в пре­ делах 20—30 в [39].

Схемы подобного класса получили широкое распрост­ ранение не только в автономных системах электропитания, но и как высоковольтные стабилизированные источники постоянного напряжения. В дальнейшем в этих схемах усо­ вершенствовали канал обратной связи, но принцип компен­ сационного транзисторного стабилизатора остался прежним.

Схемы с транзисторным стабилизатором постоянного напряжения имеют высокую стабильность выходного на­ пряжения и способность к защите от коротких замыканий, проявляющуюся в том, что при увеличении тока выше но­ минального генерация преобразователя срывается без по­ вреждений элементов схемы и легко возобновляется после снятия нагрузки.

Недостатки — низкий к. п. д. и наличие в цепи обрат­ ной связи усилителя постоянного тока, что приводит к вре­

42

менному и температурному дрейфу выходного напряже­ ния. Применение балансных схем и стабилизаторов тока усложняет схемы преобразователя.

Использование переключающих транзисторов преобра­ зователя напряжения в режиме неполностью открывающе­ гося ключа для стабилизации выходного напряжения пре­ образователей впервые было предложено в 1960 г. [39]. Сущность способа заключается в том, что в переключающем транзисторе совмещены функции переключателя и стабили­ затора. В открытом состоянии транзистор находится в ак­ тивной области, работая как управляемый резистор, ана­ логично транзистору в схеме стабилизатора постоянного напряжения с последовательным транзистором компенса­ ционного типа. Напряжение на первичной обмотке трансфор­ матора преобразователя во время открытого состояния тран­ зистора поддерживается неизменным при изменении на­ пряжения источника путем изменения падения напряжения на транзисторе. В состояние отсечки транзистор выводится сигналом обратной связи, как в обычных схемах преобра­ зователей.

Схема преобразователя со стабилизацией выходного напряжения с использованием переключающих транзисто­ ров в режиме неполностью открывающегося ключа изоб­ ражена на рис. 18, а [18]. Схема представляет собой два эмиттерных повторителя, поочередно подключающих пер­ вичный источник с частотой преобразования к обмоткам w1трансформатора Тр1.

Напряжение, приложенное к переходу' эмиттер — база переключающего транзистора в открытом состоянии,

Uэб ~ ^СТ

43

изменение падения напряжения на транзисторе 1/кэ таким образом, что напряжение UWl остается постоянным. Этим обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

Обмотки обратной связи транзисторов должны содержать число витков, превышающее число витков эмиттерных об-

Рис. 18. Схемы преобразователей со стабилизацией выходного напряжения с использованием переключающих транзисторов в режиме неполностью открывающегося ключа.

моток, так как необходимым условием работы схемы яв­ ляется

U w t < и ст < и wo.C

Балластным сопротивлением стабилитрона служит рези­ стор Rv

Величина стабилизированного напряжения, приклады­ ваемого к первичной обмотке трансформатора преобразо­ вателя, определяется величиной напряжения стабилизации стабилитрона.

Схема, изображенная на рис. 18, б, более совершенна [39]. В цепях без переключающих транзисторов включен регулирующий транзистор Т 1. Сигнал обратной связи на

44

регулирующий транзистор поступает с коллекторов пере­ ключающих транзисторов через выпрямитель. Кремниевый стабилитрон Д \ используется в качестве источника опорного напряжения. Коэффициент усиления по напряжению тран­ зистора в схеме с общим коллектором меньше единицы, поэтому обмотка трансформатора и обмотка обратной связи включены последовательно через регулирующий транзистор. Обмотку обратной связи выполняют с малым числом вит­ ков. Изменением положения подвижного контакта резисто­ ра R1 можно регулировать величину напряжения обратной связи, а следовательно, и величину выходного напряжения в определенных пределах. Применение регулирующего транзистора повышает стабильность схемы. Падение на­ пряжения на переключающих транзисторах в открытом состоянии определяется величиной сигнала обратной связи и изменяется таким образом, чтобы напряжение на первич­ ной обмотке оставалось неизменным.

По сравнению со схемами, использующими для стаби­ лизации выходного напряжения стабилизатор с последо­ вательным транзистором, схемы с использованием переклю­ чающих транзисторов в режиме неполностью открываю­ щегося ключа содержат меньше элементов, и это повышает их надежность. Однако ряд недостатков, присущих этим схе­ мам, послужили причиной того, что они не получили ши­ рокого применения:

низкий к. п. д. преобразования; значительная рассеиваемая мощность на транзисторах,

так как потери в режиме переключения суммируются с потерями на стабилизацию;

необходимость подбора транзисторов с равными коэф­ фициентами усиления по току, в противном случае это вы­ зывает несимметрию выходного перемённого напряжения.

Метод амплитудной стабилизации с помощью регулиру­ ющего вольтодобавочного устройства имеет более высокий к. п. д. Сущность способа заключается в том, что наряду с основным выходным трансформатором преобразователя

45

имеется дополнительный, вторичная обмотка которого вклю­ чена последовательно со вторичной обмоткой основного трансформатора. Напряжение на нагрузке UH= Uiv\ ± £/тРг. Дополнительный трансформатор подключен к первичному

Рис. 19. Схема преобразователя с вольтосуммирующим устрой­ ством.

источнику через регулятор напряжения, который управля­ ется сигналом обратной связи, снимаемым с нагрузки, таким образом, что с увеличением или уменьшением С/трг напряжение на нагрузке UH остается неизменным. В зави­ симости от того, поступает энергия через вольтодобавочное устройство от первичного источника к нагрузке или реку­ перируется с выхода преобразователя к первичному источ­

46

нику, различают вольтодобавочные устройства соответ­ ственно вольтосуммирующие и вольтовычитающие.

Схема преобразователя с вольтосуммирующим устрой­ ством показана на рис. 19 [35]. Преобразователь состоит из задающего генератора, собранного по схеме Роера, усили­ теля мощности с трансформатором Тр 1 и вольтосуммирую­ щего устройства. Вольтосуммирующее устройство состоит из трансформатора Тр2 и транзисторного импульсного ре­ гулятора напряжения последовательного типа. Вторичная обмотка трансформатора вольтосуммирующего устройства включена последовательно в цепь нагрузки преобразовате­ ля, а первичная через диоды — на коллекторы транзисторов усилителя мощности. Трансформатор вольтосуммирующего устройства питается через транзисторный импульсный ре­ гулятор от первичного источника. Сигнал обратной связи, снимаемый с нагрузки ZH, поступает на управляющее устройство, которое обеспечивает необходимый режим ра­ боты транзистора регулятора напряжения для выполнения равенства Ua = UтР 2 + UтР2 -

Схема преобразователя с вольтовычитающим устройством [36] отличается от схемы с вольтосуммирующим устройством только вольтодобавкой. Вольтовычитающее устройство представляет собой двухполупериодную схему выпрям­ ления и импульсный регулятор напряжения. Напряжение на нагрузке регулируется транзистором, включенным па­ раллельно источнику. Э. д. с. на нагрузке равна разности

последняя пропорциональна скважности коммутации тран­ зистора регулятора. Для того, чтобы транзистор импульсно­ го регулятора в открытом состоянии не закорачивал пер­ вичный источник, включен диод.

Схемы амплитудного метода стабилизации выходного напряжения с помощью регулируемого вольтодобавочного устройства отличаются высоким к. п. д. преобразования (все элементы работают в ключевом режиме). Наряду с этим

47

имеются существенные недостатки, которые послужили при­ чиной того, что эти схемы не получили широкого распро­ странения:

громоздкость схем, так как схемы содержат большое ко­ личество дополнительных элементов, что снижает надеж­ ность преобразователя;

в схеме с вольтовычитающим устройством основной канал преобразования должен быть выполнен на большую мощ­ ность, так как часть энергии с выхода рекуперируется в первичный источник.

2. СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ МЕТОДОМ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ

На .выходной обмотке трансформатора преобразователь обеспечивает переменное напряжение прямоугольной фор­ мы с длительностью фронта, намного меньшей длительности полупериода. Коэффициенты формы и амплитуды перемен­ ного сигнала прямоугольной формы равны единице, так как среднее и действующее значения равны амплитудному. Если с изменением амплитудного значения выходного на­ пряжения путем изменения его формы поддерживать постоянным среднее или действующее значение, то можно стабилизировать соответственно среднее или действующее значение выходного напряжения. Этот принцип и положен в основу метода стабилизации выходного напряжения преобразователя изменением формы переменного напряже­ ния.

Стабилизация выходного напряжения преобразователя способом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) получила самое широкое распространение по сравнению с другими способами. Сущность стабилизации способом ШИМ заключа­ ется в следующем.

После двухполупериодного выпрямления переменного сигнала, получаемого на выходе преобразователя, среднее и действующее значения напряжения однозначно опреде­

48

ляются амплитудным. Если же каким-либо способом регу­ лировать длительность импульса (я — ср) за полупериод (см. рис. 15), тогда среднее и действующее значения вы­ ходного напряжения соответственно будут равны [6]:

Действующее значение выходною напряжения изме­ няется в зависимости от длительности паузы по закону па­ раболы, в то время, как . среднее значение изменяется по линейному закону. Если обеспечить каким-либо устройством изменение длительности импульса за полупериод при из­ менении амплитудного значения по одному из законов (15), то можно стабилизировать соответственно среднее или действующее значение выходного напряжения. Этот прин­ цип и положен в основу стабилизации выходного напряже­ ния преобразователя способом ШИМ. Стабилизацию спо­ собом ШИМ осуществляют двумя путями: фазовым управ­ лением преобразователей и с помощью модуляторов дли­ тельности.

ме. Сигнал одного канала в зависимости от величины вы­ ходного напряжения с помощью обратной связи сдвигается по фазе по отношению к сигналу второго канала. На выходе схемы сигналы суммируются, в результате чего получаем сигнал прямоугольной формы с паузой на нуле, длительность которой регулируется.

Функциональная схема двухканального преобразовате­ ля изображена на рис. 20, а. Оба канала выполнены на оди­ наковую мощность. Обмотки выходных трансформаторов соединены между собой последовательно и включены на нагрузку таким образом, что оба выходные напряжения на ней суммируются. Задающий генератор ЗГ, единый для всей схемы, соединен с усилителем мощности УМ\ непо­ средственно, а УМ2 — через фазосдвигающее устройство

ФСУ. УМ2 выполнен по схеме задающего генератора с обмотками обратной связи и синхронизируется ФСУ. Чув­ ствительный элемент ЧЭ, воздействуя на фазосдвигающее устройство, изменяет сдвиг фаз между выходными напря­ жениями каналов и тем самым регулирует длительность паузы в кривой напряжения на нагрузке [27]. В качестве

Рис. 20. Функциональная схема преобразователя ШИМ с фазовым управлением (а) и временные диаграммы (б).

фазосдвигающего устройства используется магнитный уси­ литель с внутренней обратной связью (амплистат).

При малой выходной мощности схема рис. 20 может быть выполнена и без усилителей мощности. В этом случае на входе схемы выпрямления суммируются напряжения об­ моток трансформаторов задающего генератора и управля­ емого генератора [20].

В США [41] запатентована аналогичная схема (рис. 21), но сдвиг фаз управляется мостовой схемой сравнения, ограничивающей величину напряжения, до которого за­ ряжается конденсатор С1. В этой схеме отсутствует отдельный задающий генератор и его функции выполняет преобразователь 771, с которого запускающие импульсы поступают на преобразователь 172.

Мостовые схемы содержат вместо двух выходных транс­ форматоров один [15, 20]. Последовательно работающие

50