Двухтактный инвертор с самовозбуждением

Наиболее распространенной является схема двухтактного инвертора при включении транзисторов по схеме с ОЭ, содержащая насыщающийся трансформатор.

Рис 2.5.3.

Переключение транзисторов в ней происходит из-за насыщения сердечника трансформатора. Магнитопровод должен быть из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Транзисторы VT 1 и VT 2 поочередно подключают источник питания Uп к первичным полуобмоткам трансформатора, вызывая изменение магнитной индукции в магнитопроводе от одного предельного значения (-B_s) до другого (+B_s). Входные цепи VT1 и VT2 питаются от обмоток положительной обратной связи (ПОС) W₃. Нагрузка подключается ко вторичной обмотке.
При включении напряжения питания U_п в силу неидентичности характеристик транзисторов токи VT1 и VT2 не равны. Пусть i_к1 > i_к2. Ток намагничивания i_m = i_к1 - i_к2, протекая по обмотке W₁, индуцирует во всех обмотках ЭДС определенной полярности.

Рис 2.5.4.

С обмоток ПОС на базу VT1 подается отрицательное, а на базу VT2 – положительное напряжение возбуждения U_б1 = U_ос + U_r2. VT1 еще больше открывается, а VT2 – закрывается. Рабочая точка перемещается по динамической характеристике из положения А в положение Б; затем в В и VT1 входит в режим насыщения, I_к1h U_кэ1i. К первой полуобмотке прикладывается напряжение U₁ = U_п – U_кн1, так как u₁ = -W₁S (dB/dt), сердечник перемагничивается с постоянной скоростью

(dB/dt) = (U_п – U_кн1)/SW₁, (2.5.1.)

где S – площадь сечения сердечника.

По ППГ точка перейдет из 1 в 2 (+B_s). Это линейный процесс, при котором формируется вершина импульса u₂.

U_2m=(U_п-U_kн)W₂/W₁ (2.5.2.)

В конце этого этапа, когда состояние изменяется от (2) до (3), сердечник насыщается, магнитная проницаемость mi, увеличивается ток намагничивания i_m, и, как следствие, увеличивается i_к1=I_km. На динамической характеристике это точка В. Но рост тока i_к1 ограничивается величиной U_п, I_б1. Так как изменения ни индукции, ни i_m не происходит, ЭДС во всех обмотках падают до нуля, U_к1h и VT1 выходит из насыщения. С этого момента начинается лавинообразный процесс, который приводит к переключению транзисторов. Увеличение U_к приведет к уменьшению U₁. Это вызовет уменьшение магнитного потока Ф и индукции В (точка 4), что вызовет во всех обмотках наведение ЭДС обратной полярности. Теперь на базу VT1 подается положительное напряжение, а на базу VT2 – отрицательное.

Рис 2.5.5.

Рабочая точка мгновенно перемещается из точки В` в Г, а затем в точку Д (к закрытому VT1 прикладывается удвоенное напряжение питания)

U_кэmах =2U_п, (2.5.3.)

I_к1=I_к0≈0. VT1 закрывается, VT2 открывается. После запирания ранее открытого VT1 начнется второй медленный этап – спад индукции в сердечнике от +B_s до –B_s из точки 4 в точку 5. Время запирания и отпирания транзисторов, в течение которых индукция меняется от B_m до B_s, Тк/2 мало по сравнению с величиной полупериода Т/2, поэтому время изменения индукции от –Вs до +Bs практически определяет Т/2: (T_л/2)(dB/dt) = 2 B_s.
Подставим сюда dB/dt из (2.5.1.) и определим частоту колебаний инвертора:

f = 1/ T_л = (1/4B_s)(dB/dt) = (U_п - U_кн)/4W₁ SB_s (2.5.4.).

При расчете частоты инвертора, работающего на повышенной частоте, нужно учитывать длительность коммутационных процессов Т_к. Т_к зависит от инерционности транзистора и для этой схемы равна времени рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов.
Одной из особенностей инвертора с самовозбуждением является возникновение значительных выбросов коллекторных токов. Оценим величину этих выбросов.
Для уверенного и глубокого насыщения транзистора амплитуда базового тока выбирается в К₁ раз выше, чем та, что необходима для переключения транзистора при минимальном коэффициенте усиления по току, то есть

I_бm = K₁(I_кн/b­ _min) (2.5.5.).

Для транзисторов с b­ > b­_min кратность отпирающих импульсов будет другой, фактический
коэффициент насыщения

К_ф=К₁(b­/b­ _min) (2.5.6.).

Поскольку разброс b ­ может быть очень большим, то при К₁=2, а b­ =5 b­ _min, К_ф=10. Если в режиме насыщения I_к = I _кн, то в переходном режиме I_к будет определяться уровнем тока базы:

I_кm = I_бmb = К_ф I_кн ­ (2.5.7.).

Выброс может на порядок превышать I_кн. Требуемое значение базового тока I_бн = I_бm обеспечивается выбором напряжения U _ос базовой обмотки и резистором R2

U_оc = (3-5)U_бн, R₂ = (U_ос - U_бн)/I_бн

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе необходимо, чтобы фронты переменного прямоугольного напряжения имели минимальную длительность. Достигается это применением ВЧ силовых транзисторов с большим b ­ или шунтированием R2 конденсатором С2. С ≤ T/2R2 = 1/2fR2.

Таким образом, для успешной работы транзистор должен иметь

U_кэдоп > 2U_п, I_кдоп> 10I_кн (2.5.8.).

Это приводит к излишне большой P_кmax транзистора по сравнению с Р_вых.

Рис 2.5.6. Рис 2.5.7.

Меньшие амплитуды выбросов коллекторного тока получают в инверторе с дросселем в цепи эмиттеров силовых транзисторов. При насыщении трансформатора, когда i_к1 начинает возрастать, i_Lh. Увеличение i_L приводит к появлению ЭДС самоиндукции. U_б1 = U_ос + U_L для закрывающегося VT1 будет запирающим. Это ускорит процесс рассасывания неосновных носителей зарядов и запирание транзистора, одновременно ограничив i_к.
Больший эффект дает схема с переключающим трансформатором.
В этой схеме нет выбросов i_к1, так как транзисторы запираются не по коллектору, а по базе. Сердечник трансформатора Т1 не насыщается (В < В _s). Сердечник менее мощного переключающего трансформатора насыщается. При этом U_R3 h и уменьшается напряжение на обмотках Т2. Ток базы i_б1 насыщенногоVТ1 уменьшается, а после рассасывания неосновных носителей VТ1 запирается. При этом dB₂/dt i, ЭДС в обмотках Т2 уменьшаются еще больше до нуля и VТ2 открывается. Так как выход транзистора из режима насыщения начинается с уменьшения i_б, то рассасывание заряда неосновных носителей в базе открытого транзистора не приводит к выбросу i_к

f ≈ U₂₁/4W₂₁ B_s2S₂
недостаток этой схемы - два трансформатора.

Рис. 2.5.8.

Однако роль переключающего трансформатора может выполнить насыщающийся дроссель. Он включается в базовые цепи. Насыщение дросселя приводит к росту i_L, i_б уменьшается и насыщенный транзистор запирается.