2. Двухтактный преобразователь напряжения

Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют не только увеличить КПД преобразователя, но и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает большее постоянство выпрямленного напряжения. В этих схемах целесообразно использовать схемы выпрямления, в которых отсутствует постоянное вынужденное подмагничивание магнитопровода (двухфазная двухполупериодная с выводом средней точки и однофазная мостовая).

В схемах двухтактных автогенераторов роль переключателей выполняют транзисторы, которые поочередно открываются и закрываются подобно транзисторам в схемах симмертичного мультивибратора. Такие схемы могут быть собраны с общим эмиттером, с общей базой и общим коллектором. Наибольшее распространение находит схема с общим эмиттером, которая при малых напряжениях источника U_вх позволяет получить высокий КПД.

Двухтактный преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером (рис. 3), состоит из двух транзисторов VT₁ VT₂ и трансформатора, имеющего три обмотки: коллекторную (состоит из двух полуобмоток ω_К1 и ω_К2), базовую (состоит из двух полуобмоток ω_Б1 и ω_Б2) и выходную ω_ВЫХ. Как и в однотактном преобразователе, коллекторная обмотка является первичной, а базовая — обмоткой обратной связи.

Рис. 3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

Магнитопровод трансформатора выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 4, а).

Рис. 4. К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения:

а — петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора;

б — диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

В качестве материала для магнитопровода используется пермаллой и ферриты различных марок. Делитель напряжения R₁ R₂ обеспечивает запуск преобразователя, поскольку при включении питающего напряжения U_вх на резисторе R₁ (рис. 3) появляется небольшое падение напряжения (в среднем 0,7 В), минус которого приложен к базам транзисторов. Это напряжение выводит рабочую точку транзистора в область больших токов, обеспечивая самовозбуждение генератора. Конденсатор С₁ повышает надежность процесса самовозбуждения. Емкость С₁ подбирается экспериментально; значение ее находится в пределах от 0,1 до 2 мкФ.

Принцип работы схемы двухтактного преобразователя состоит в следующем. При включении напряжения питания U_вх падение напряжения на R₁ откроет оба транзистора VT₁ и VT₂, при этом вследствие разброса параметров транзисторов токи i_К1 и i_К2, протекающие по ним, не могут быть совершенно одинаковыми. Допустим i_К1 > i_К2 при этом в магнитопроводе трансформатора возникнет магнитный поток, направление которого определяется преобладающим током коллектора i_К1 (рис. 3, направление i_К1 показано сплошными стрелками). Этот поток наводит ЭДС на всех обмотках трансформатора (рис. 3, знаки без скобок), причем ЭДС, наводимая в базовых полуобмотках ω_Б1 и ω_Б2, создаст на базе VT₁ «минус», а на базе VT₂ «плюс», что приведет к еще большей разнице в токах i_К1 и i_К2. Благодаря положительной обратной связи в схеме процесс открытия VT₁ и закрытия VT₂ протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT₁ в режим насыщения. К полуобмотке ω_Б1 окажется приложенным напряжение

(1)

где U_кэ1нас —падение напряжения на открытом транзисторе VT₁.

Транзистор VT₁ будет открыт до тех пор, пока магнитный поток трансформатора не достигнет значения Ф_s (поток насыщения). Как видно из рис. 4, а при прямоугольной петле гистерезиса трансформатора магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным, а, как известно из теории трансформаторов (гл. 1), при постоянном магнитном потоке в обмотках трансформатора ЭДС наводиться не может. По этой причине в момент достижения магнитным потоком значения Ф_s исчезают (или становятся весьма малы) ЭДС во всех обмотках трансформатора, а соответственно и токи в этих обмотках.

Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности (рис. 3, знаки в скобках), т.е. на базе VT₁ появится положительное напряжение по отношению к эмиттеру и транзистор VT₁ закроется, а на базе транзистора VT₂ появится отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, что приводит к отпиранию VT₂ и к появлению тока i_К2 в полуобмотке ω_К2 (направление i_К2 показано пунктиром). Это вызывает увеличение отрицательного напряжения в базе VT₂ и дальнейший рост тока i_К2; этот процесс протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT₂ в режим насыщения. В результате (при открытом VT₂) к полуобмотке ω_к2 окажется приложенным напряжение

(2)

Таким образом, напряжение на каждой из полуобмоток ω_к1 и ω_к2 определяется формулами (1) и (2) и имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 4, б, график и_к).

Скорость, с которой происходит процесс отпирания и запирания транзисторов, т. е. крутизна фронтов импульсов U_к в значительной степени зависит от собственной (паразитной) емкости транзисторов и обмоток трансформаторов, а также от индуктивности рассеяния трансформатора. Искажение прямоугольной формы напряжения U_к, вызванное перечисленными факторами, приближает ее к синусоидальной, что ухудшает условия работы транзисторов, поскольку переход схемы из одного состояния в другое происходит медленно и на транзисторах выделяется дополнительная мощность, увеличивающая их нагрев. Во вторичную обмотку ω_вых трансформируются импульсы выходного напряжения U_вых, параметры которого определяются соотношением ω_к и ω_вых.

Частота генерации преобразователя согласно

(3)

где U_кэнас —падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения; U_r —падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки трансформатора, В; ω_к— число витков половины вторичной обмотки (ω_к=ω_к1=ω_к2); B_s —значение индукции насыщения, Тл; S_c — площадь сечения магнитопровода трансформатора.

Как видно из (3), частота генерации преобразования f_п зависит от напряжения источника питания U_BX и от тока нагрузки I₀. Дело в том, что при увеличении тока нагрузки увеличивается ток на выходе инвертора (I_Вых), а следовательно, возрастает ток в первичной обмотке (ток I_к). Увеличение тока I_к приведет к увеличению падения напряжения на ней, т. е. U_r, и согласно формуле (3) частота f_п уменьшится.

При коротком замыкании на выходе преобразователя транзисторы VT₁ и VT₂ выходят из режима насыщения и генерация срывается. При устранении короткого замыкания схема легко возбуждается; таким образом, данная схема нечувствительна к коротким замыканиям.