Пребразователи напряжения

Для питания радиоэлектронной аппаратуры от источников постоянного тока с низким напряжением (например, аккумуляторные или солнечные батареи) используются преобразователи постоянного напряжения, выполненные на силовых полупроводниковых приборах – транзисторах или тиристорах. При этом преобразователи на небольшую мощность (до 500 Вт) при питании от источников с низким напряжением (до 30 В) выполняют на транзисторах, работающих в режиме переключений. Преобразователи на большие мощности, питающиеся от источников с повышенным напряжением (более 30 В), рационально выполнять на тиристорах. Последние относятся к энергетическим установкам.

Основным процессом при преобразовании напряжения постоянного тока в напряжение переменного или постоянного тока другого уровня является инвертирование. Оно заключается в следующем. Если подключить первичную обмотку трансформатора, зашунтированную обратным диодом и стабилитроном, к источнику постоянного напряжения через ключ, периодически с некоторой частотой замыкающий указанную цепь, то таким образом реализуется простейшая схема инвертирования, позволяющая получить на зажимах выходной обмотки трансформатора последовательность однополярных (выпрямленных) прямоугольных импульсов с амплитудой, пропорциональной коэффициенту трансформации трансформатора. Такое преобразование является однотактным и приводит к плохому использованию трансформатора, сердечник которого работает на неполной (частичной) петле гистерезиса.

Поэтому в настоящее время получили распространение такие преобразователи, у которых первичная обмотка трансформатора выполняется с выводом средней точки, то есть состоящей из двух полуобмоток, которые попеременно с помощью ключей (транзисторов) периодически подключаются к источнику постоянного тока. В этом случае выходное напряжение преобразователя будет представлять последовательность равновеликих прямоугольных импульсов разной полярности (меандр), получивших название переменного прямоугольного напряжения. Использование трансформатора у такого преобразователя наивысшее, так как он работает на полной петле гистерезиса.

Рассмотрим схему преобразователя с транзисторами p-n-p- типа (рис.3.1).

 

Рис.3.1

Инверторная часть преобразователя включает в себя транзисторы Т₁ и Т₂ и коллекторные обмотки W₁' и W₁'', являющиеся первичными обмотками (полуобмотками) трансформатора. Режим самовозбуждения преобразователя обеспечивается с помощью базовых обмоток положительной обратной связи W₃' и W₃'', расположенных на общем сердечнике трансформатора. Напряжение смещения в базовых цепях транзисторов подается с делителя напряжения R₁ – R₂. Наличие делителя улучшает условия самовозбуждения преобразователя. Конденсатор С₁, шунтирующий резистор R₁, повышает надежность самовозбуждения и увеличивает КПД преобразователя. Для получения на выходе преобразователя постоянного напряжения к выходной обмотке трансформатора подключается выпрямитель, реализующий двухполупериодное выпрямление по мостовой схеме или по схеме со средней точкой. Выпрямленное напряжение обычно сглаживается С-фильтром.

Сердечник трансформатора, как правило, выполняется из материала с прямоугольной формой петли гистерезиса (сплавы типа «пермаллой»), однако возможно применение и обычных электротехнических сталей, рассчитанных на работу при повышенных частотах.

Для того чтобы уяснить принцип действия преобразователя, рассмотрим траектории рабочих точек трансформатора и транзистора при отсутствии нагрузки на выходе преобразователя (холостой ход). Для этого изобразим идеализированные вольт­амперные характеристики транзистора и идеализированную кривую намагничивания сердечника трансформатора, имеющей в своей структуре прямоугольную петлю гистерезиса (рис.3.2).

 

Рис.3.2

 

Предположим, что исходной рабочей точкой трансформатора является точка отрицательного насыщения - В_S (точка 1). Пусть в некоторый момент времени включается транзистор Т1 и напряжение источника питания U₁ приложено к обмотке W₁' трансформатора, вследствие чего началось изменение индукции в его сердечнике. Благодаря изменению индукции во всех обмотках трансформатора наводится ЭДС, полярность которой показана на схеме рис.3.1. Величина ЭДС каждой обмотки определяется её коэффициентом трансформации по отношению к обмотке W.

Потенциал базы Т₁ отрицателен и, следовательно, этот транзистор открыт и пропускает ток с малым падением напряжения на переходе «эмиттер-коллектор».

Потенциал базы Т₂ положителен, следовательно, этот транзистор заперт. К эмиттер-коллекторному переходу Т2 приложена сумма напряжений источника питания и ЭДС обмотки W₁''. Эта сумма равна удвоенному напряжению источника питания за вычетом падений напряжения на открытом транзисторе Т1, которое мало и составляет доли вольта. Рабочая точка Т2 занимает положение в точке 6 на семействе коллекторных характеристик и находится там в течение всего первого полупериода.

При изменении индукции от - В_{s ,} рабочая точка трансформатора и транзистора Т₁ быстро переходит (практически мгновенно) из положения 1 в точку 2, а ток в обмотке и цепи коллектора возрастает скачком до величины намагничивающего тока трансформатора. Так как намагничивающий ток, а также активное сопротивление обмотки и перехода «эмиттер-коллектор» открытого до насыщения транзистора Т₁ очень малы, то можно приближенно полагать, что напряжение источника питания при высокой степени прямоугольности петли гистерезиса полностью уравновешивается ЭДС самоиндукции:

В течение первого полупериода индукция сердечника изменяется от - В_s до +В_s, а рабочая точка соответственно перемещается от точки 2 до точки 3.

Положение рабочей точки на характеристиках транзистора к концу полупериода (точка 3 лишь незначительно смещена относительно точки 2) почти не изменяется, так как намагничивающий ток трансформатора возрастает незначительно.

Скорость изменения индукции на участке между точками 2 и 3 определяется как:

Для определения собственной частоты колебаний преобразователя проинтегрируем это выражение в соответствующих пределах:

откуда, с учетом , получаем формулу для определения частоты:

где

В момент насыщения сердечника (точка 3) изменение индукции практически не происходит, магнитная связь между первичной (коллекторной) и вторичной (выходной) обмотками трансформатора стремится к нулю. В это время ЭДС самоиндукции Е₁ падает до величины, лишь немного превышающей нулевое значение, поэтому резко увеличивается ток цепи коллектора Т₁ до величины, определяемой током базы (точка 4). На участке 3 - 4 ток базы поддерживается за счет рассасывания носителей, так как напряжение смещения, снимаемое с базовой обмотки, практически падает до нуля. В точке 4 всё напряжение прикладывается к транзистору Т₁, и изменение индукции полностью прекращается. Если бы не было рассасывания носителей в базе, то процесс бы остановился в точке 4. Рассасывание носителей приводит к уменьшению тока транзистора Т₁, т.е. к его запиранию.

Рабочая точка транзистора начинает перемещаться вниз параллельно оси коллекторных токов, что свидетельствует о постепенном закрывании транзистора Т₁. Все напряжение по прежнему приложено к транзистору, ток которого падает до величины начального коллекторного тока, соответствующего (точка 5).

Перемещение рабочей точки трансформатора из 4 в 5 приводит к едва заметному уменьшению индукции, но все же достаточному, чтобы произошел лавинообразный процесс вследствие наведения ЭДС обратной полярности во всех обмотках трансформатора. Таким образом, процесс в точке 5 не останавливается. Появление положительной ЭДС на базе транзистора Т₁ ускоряет рассасывание носителей между точками 4 и 5, а между точками 6 и 5 запирает его. На участке 4 _-_ 6 транзистор Т₂ немного открыт, так как на базу подано отрицательное напряжение. Это приводит к протеканию в обмотке небольшого тока в направлении, противоположном току обмотки , что приводит к ускорению лавинообразного процесса переключения, который заканчивается в точке 7. Далее процесс перемагничивания сердечника повторяется, но уже током, протекающим через транзистор Т₂. На участке 4 _-_ 7 напряжение источника питания одинаково прикладывается к транзисторам Т₁ и Т₂. Падение напряжения в обмотках и практически равно нулю.

В точке 7 напряжение, приложенное к Т₁, возрастает практически до величины удвоенного напряжения источника питания, а напряжение на Т₂ равно падению напряжения на открытом переходе «эмиттер-коллектор».

Во втором полупериоде индукция сердечника трансформатора изменяется от +В_s до -В_s.

Амплитуда ЭДС вторичной обмотки равна:

где , к – коэф­фициент трансформации.

 

Рис.3.3

 

На рис.3.3 приведены осциллограммы напряжений, магнитного потока и токов трансформатора. Напряжение во вторичной обмотке имеет прямоугольную форму, что имеет большое значение при выпрямлении этого напряжения двухполупериодным выпрямителем. Выпрямленное напряжение в этом случае будет иметь незначительные пульсации, что позволяет использовать простейший сглаживающий фильтр, например, сглаживающий конденсатор.

Включение нагрузки на выход преобразователя не вносит существенных изменений в работу устройства. Только рабочая точка на коллекторных характеристиках транзистора скачком переходит в положение 2 в начале полупериода и затем в течение полупериода незначительно смещается в положение 3. Предел нагружаемости преобразователя определяется точкой перегиба М характеристики транзистора при максимальном токе базы, выше которой точка 3 не должна попадать.

Увеличение падения напряжения на трансформаторе с увеличением нагрузки приводит к снижению выходного напряжения преобразователя. Это снижение происходит до точки срыва колебаний.

Короткого замыкания преобразователь не боится, так как при коротком замыкании колебания не возникают.

На падающем участке внешней характеристики работать длительно нельзя, так как это приводит к сильному разогреву транзисторов и опасности их выхода из строя.

При нагрузке в первичной обмотке трансформатора имеет место заметное падение напряжения. Падает напряжение и на эмиттер - коллекторном переходе открытого транзистора. Все это приводит к снижению ЭДС взаимоиндукции трансформатора, а следовательно, и к снижению рабочей частоты преобразователя, что видно из нижеприведенной формулы:

При использовании в преобразователе магнитных материалов, не обладающих прямоугольной формой петли гистерезиса, процесс переключения транзисторов происходит в тот момент, когда скорость изменения магнитного потока в сердечнике (в связи с насыщением стали) начинает уменьшаться. Изменение направления перемагничивания сердечника происходит тогда, когда коллекторный ток достигает значения , где - коэффициент усиления транзистора по току.

Работа преобразователя с трансформатором на сердечнике из обычных электротехнических сталей отличается наличием большого намагничивающего тока, плохими фронтами импульсов и значительными потерями на вихревые токи.

Плохие фронты приводят к возрастанию потерь в транзисторах.

Габариты трансформатора преобразователя определяются частотой и величиной индукции насыщения.

Применяя новые материалы (сплавы типа «пермаллой» или ферриты) с уменьшенными потерями на высоких частотах и рациональные конструкции трансформаторов, обеспечивающие малую индуктивность рассеяния, можно использовать более высокие рабочие частоты и получить дальнейшее уменьшение габаритов и массы преобразователя.

КПД транзисторных преобразователей достаточно высок и колеблется в пределах 90-98% в зависимости от мощности, частоты, материала сердечника, типа транзисторов и других факторов.