книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

ном состоянии обычно равно 0,3—0,4 В. Однако для того, чтобы входные цепи преобразователя работали стабиль­ но, напряжение вторичных обмоток трансформатора це­ пи управления Тр2 обычно выбирают в пределах 3—5 В. Избыточное напряжение падает на резисторе R\.

Таким образом, мощность цепи управления преобра­ зователя определяется как произведение базового тока транзисторов на напряжение Н2вк вторичных обмоток трансформатора Тр2.

Величину сопротивления резистора R x выбирают из условия

и.2вх- и 6. а

§ 3. Преобразователи напряжения с самовозбуждением

Преобразователи напряжения с самовозбуждением в отличие от преобразователей с внешним возбуждением не нуждаются в дополнительном источнике управляюще­ го напряжения. В таких схемах базовые цепи переклю­ чающих транзисторов получают питание не от отдельно­ го источника напряжения, а от дополнительных вторич­ ных обмоток силового трансформатора преобразователя.

Преобразователь с самовозбуждением, выполненный по так называемой схеме Роера, показан на рис. 96, а.

Выходное напряжение преобразователя и в этом слу­ чае имеет форму прямоугольных импульсов чередующей­ ся полярности, однако частота следования этих импуль-

2 3 2

ник находился в размагниченном состоянии, т. е. магнит­ ная индукция в нем была равна нулю. Это состояние со­ ответствует точке О на рис. 96, б. При включении преобразователя в транзисторах начинают протекать

2 3 3

В силу неизбежной асимметрии схемы в первичной обмотке трансформатора возникает намагничивающий ток. Этот ток трансформируется в базовые цепи транзи­ сторов таким образом, что заставляет отпираться тот транзистор, коллекторный ток которого больше, и запи­ раться тот транзистор, коллекторный ток которого мень­ ше. Увеличение тока в одном из транзисторов ведет к до­ полнительному приросту намагничивающего тока, и в результате происходит лавинообразное отпирание одного из транзисторов.

Положим для определенности, что первым открылся транзистор Т\. При этом обмотка WK оказывается подключенной непосредственно к источнику питания. На­ чало обмотки (вывод, обозначенный точкой) подключа­ ется к клемме+ источника питания. В силу закона электромагнитной индукции начала всех обмоток транс­ форматора также становятся положительными. Нетруд­

We запирает транзистор Г2.

Поскольку в выходной обмотке WH, подключенной к нагрузке, также наводится ЭДС, то в нагрузке проте­ кает ток. Ток коллектора открытого транзистора равен сумме приведенных токов нагрузки и базовой цепи. Су­ щественным условием работы преобразователя является то, что ток базы должен быть достаточен для насыщения открытого транзистора, т. е.

Для выполнения этого условия обычно принимают

U6^ 1 ,5 ^ - ^ - -

Схема будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока не произойдет насыщения сердечника трансформа­ тора. Для того чтобы выяснить, как долго будет продол­ жаться такое состояние, вновь обратимся к рис. 96, б.

После подачи питания на преобразователь напряже­ ния рабочая точка мгновенно перемещается в точку 1 и

2 3 4

затем начинает движение по кривой намагничивания в точку 2. По закону электромагнитной индукции

„с1Ф

Е= — да--------

dt

Поскольку напряжение, приложенное к обмотке 1FK, постоянно, будет постоянна и производная потока в сер­ дечнике трансформатора, а это значит, что перемещение рабочей точки по кривой намагничивания будет идти с постоянной скоростью вдоль оси В. Графики электриче­ ских процессов в схеме показаны на рис. 97.

После включения идет линейное нарастание магнит­ ного потока в сердечнике. Вследствие этого во всех об­ мотках трансформатора наводятся постоянные по вели­ чине ЭДС. Под воздействием этих ЭДС протекает ток в цепи нагрузки и в базовой цепи открытого транзистора. Ток в коллекторной цепи открытого транзистора равен сумме токов намагничивания сердечника и приведенно­

го тока нагрузки.

При достижении индукции в сердечнике величины ин­ дукции насыщения Bs индуктивность обмоток транс­ форматора падает до нуля. В результате резко увеличи­

при этом транзистор выходит из режима насыщения в линейный режим. На рис. 96, б этому состоянию соответ­ ствует точка 3.

При выходе транзистора в линейный режим возраста­ ет падение напряжения на нем и, следовательно, умень­

шается напряжение на коллекторной обмотке WK. По­ скольку эта обмотка является первичной обмоткой транс­ форматора, уменьшение напряжения на ней приводит к уменьшению ЭДС всех вторичных обмоток и в частности

обмотки обратной связи We.

С уменьшением ЭДС базовой обмотки уменьшается ток базы транзистора Ть что приводит к уменьшению коллекторного тока. С уменьшением коллекторного тока начинает уменьшаться индукция в сердечнике, что озна­ чает изменение знака производной потока в сердечнике. Вследствие этого изменяется знак ЭДС, наводимых в об­ мотках трансформатора, в том числе и ЭДС обмоток об­ ратной связи. В результате транзистор Тх закрывается

2 3 5

ф

Рис. 97. Электрические процессы в мультивибраторе Роера

и открывается транзистор Тг. Рабочая точка (см. рис. 96, б) перемещается в точку 4 и начинается перемагничивание сердечника в обратном направлении от точки 4 к точке 5. Очередное переключение произойдет, когда индукция в сердечнике достигнет величины — В,

Как видно из рис. 97, величина тока нагрузки не влияет на частоту переключений, однако, если приведен­

ный ток нагрузки станет больше величины /н. макс, опре­ деляемой как

7 н. макс = ^ / jl,

то это приведет к срыву колебаний. После отключения нагрузки или увеличения сопротивления нагрузки до ве­ личины, обеспечивающей нормальную работу преобразо­ вателя, колебания возобновляются.

ных электротехнических сталей с непрямоугольной пет­ лей гистерезиса. Однако в этом случае частота выходно­ го напряжения будет изменяться с изменением нагрузки преобразователя.

Расчет преобразователей по схеме Роера ведется так же, как и расчет преобразователей с внешним возмуще­ нием. При расчете следует учитывать, что мощность, расходуемая в базовых цепях нагрузки, снимается с то­ го же преобразователя и, следовательно, должна сумми­ роваться с мощностью нагрузки.

§ 4. Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Преобразователи постоянного напряжения в постоян­ ное применяются в тех случаях, когда напряжение по­ требителей постоянного тока не соответствует напряже­ нию источника питания, а также когда необходимо иметь несколько независимых источников питания.

2 3 7

Рис. 98. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

Преобразователи такого типа могут быть выполнены как в виде самовозбуждающихся схем, так и в виде схем с внешним возбуждением. Для получения постоянного выходного напряжения нагрузку подключают к транс­ форматору через выпрямитель. Изменяя число витков вторичной обмотки, можно получить требуемую величи­ ну выходного напряжения.

Схема самовозбуждающегося преобразователя пока­ зана на рис. 98. Особенностью выпрямителей, работаю­ щих в составе преобразователей постоянного напряже­ ния, является почти постоянное выходное напряжение, поскольку питание выпрямителя происходит прямоуголь­ ными импульсами напряжения. Вследствие этого отпада­ ет надобность в громоздких фильтрах и обычно в качест­ ве фильтра применяется один конденсатор сравнительно небольшой емкости. Однако даже такой фильтр сущест­ венно ухудшает условия запуска преобразователя, так как в момент включения незаряженный кон­ денсатор фильтра вызывает короткое замыкание вы­ ходной цепи, а в таком режиме схема Роера рабо­ тать не может.

Для улучшения условия запуска преобразователя в схему вводят дополнительную цепь смещения на базу одного из транзисторов, что увеличивает начальную асимметрию схемы и способствует запуску. Кроме того, на выходе выпрямителя перед конденсатором фильтра можно включать дополнительный токоограничивающий резистор. Эти меры особенно важны в тех случаях, когда преобразователь работает на заряд большой емкости, например, в импульсных лампах-вспышках проблеско­

2 3 8

вых фонарей. Для повышения надежности запуска в этих случаях целесообразно использовать схему с внешним возбуждением от дополнительного автогенератора.

§ 5. Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Преобразователи такого типа используются для пи­ тания потребителей переменного тока, когда основной источник электрической энергии является источником по­ стоянного напряжения.

Преобразование постоянного напряжения в перемен­ ное является более сложной технической задачей, чем преобразование постоянного напряжения в постоянное, поскольку постоянное напряжение обладает только од­ ним параметром — величиной (среднее значение), в то время как переменное напряжение имеет целый ряд па­ раметров — величина (амплитудное и действующее значение), частота, количество фаз, коэффициент гармо­ ник. Это приводит к тому, что схемы транзисторных пре­ образователей с выходом на переменном токе значитель­ но усложняются.

Для обеспечения необходимой стабильности частоты выходного напряжения эти преобразователи, как прави­ ло, выполняют по схемам с внешним возбуждением, причем в качестве источника коммутирующего напря­ жения используют стабилизированные по частоте авто­ генераторы.

Особую сложность представляет вопрос о форме вы­ ходного напряжения. Обычная схема преобразователя напряжения дает на выходе напряжение прямоугольной формы. В то же время потребители переменного тока рассчитаны, как правило, на питание синусоидальным напряжением. Для получения синусоидального выходно­ го напряжения между преобразователем и нагрузкой включают реактивные выходные фильтры. Габариты и вес этих фильтров при использовании прямоугольного напряжения получаются весьма значительными, поэтому при проектировании преобразователей стремятся уже на входе фильтра получить напряжение, приближенное по форме к синусоидальному.

Это можно сделать, если суммировать два напряже­ ния прямоугольной формы, имеющие равные амплитуды

2 3 9

Рис. 99. Способ улучшения формы выходного напряжения в , преобразо­ вателях с выходом на переменном токе

и частоту; но сдвинутые по фа­ зе на некоторый угол 2т|г, как показано на рис. 99. Изменяя

ским градусам, при этом в вы­ ходном напряжении отсутству­ ют третья гармоника и крат­

ные ей, в результате чего уменьшаются габариты и вес выходных фильтров преобразователя. Тем не менее при­ менение таких сдвоенных синхронизированных преобра­ зователей приводит к значительному усложнению схемы. Схема становится еще более сложной, если требуется, чтобы выходное переменное напряжение было трех­ фазным.

Принципиальная схема транзисторного преобразова­ теля постоянного напряжения в переменное состоит из трех основных узлов: схемы управления, силового каска­ да, выходного фильтра. Основным узлом преобразова­ теля, в котором происходит формирование переменного напряжения, является силовой каскад. Простейшая схе: ма силового каскада представляет собой обычный преоб­ разователь с внешним возбуждением, показанный на рис. 94. К недостаткам такой схемы выходного каскада следует отнести высокое обратное напряжение на тран­ зисторах, а также прямоугольную форму выходного на: пряжения, ■требующую применения громоздких фильт­ ров. Форму выходного напряжения можно улучшить, ес­ ли составить выходной каскад из двух синхронно рабо­ тающих схем, подобных схемам, представленным на рис. 94, имеющих некоторый сдвиг по фазе.

Выходное* напряжение в таком преобразователе сни­ мается с ДвуХ; последовательно включенных вторичных

2 4 0