Двухтактный преобразователь напряжения

Двухтактный преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером (рисунок 14.3), состоит из двух транзисторов VT₁ VT₂ и трансформатора, имеющего три обмотки: коллекторную (состоит из двух полуобмоток и ), базовую (состоит из двух полуобмоток и ) и выходную . Как и в однотактном преобразователе, коллекторная обмотка является первичной, а базовая - обмоткой обратной связи. Магнитопровод трансформатора выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рисунок 14.4,а); 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 (рисунок 14.3) 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 C₁ подбирается экспериментально; значение ее находится в пределах от 0,1 до 2 мкФ.

Рисунок 14.3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

 

Рисунок 14.4 - К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения

а —петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора; б —диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

Принцип работы схемы двухтактного преобразователя стоит 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 (рисунок 14.3, направление i_К1 показано плотными стрелками). Этот поток наводит ЭДС на всех обмотках трансформатора (рисунок 14.3, знаки без скобок), причем ЭДС, наводимая в базовых полуобмотках w_Б1, w_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 w_К1 окажется приложенным напряжение

U_К1мах=U_ВХ-U_КЭ1нас,

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 рисунка 14.4,а, при прямоугольной петле гистерезиса трансформатора магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоян­ным, а, как известно из теории трансформаторов, 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 (рисунок 14.3, 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 w_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 в результате (при открытом VT₂) к полуобмотке wК2 окажется приложенным напряжение

U_К2мах=U_ВХ-U_КЭ2нас,

Таким образом, напряжение на каждой из полуобмоток w_К1 и w_К2 определяется формулами и имеет форму прямоугольных импульсов (рисунок 14.4, б, график u_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 w_ВЫХ трансформируются импульсы выходного напряжения U_ВЫХ, параметры которого определяются соотношением w₂ и w_ВЫХ.

Частота генерации преобразователя

где U_КЭнас — падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения; U_R - падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки трансформатора, В; w_К — число витков половины вторичной обмотки (w_К = w_К1 = w_К2); Вs — значение индукции насыщения, Тл; S_С — площадь сечения магнитопровода трансформатора.

Как видно из выражения, частота генерации преобразовав f_П зависит от напряжения источника питания U_ВХ 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 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.

При работе схемы, когда один из транзисторов заперт, напряжение между его эмиттером и коллектором, как это видно из схемы на рисунке 14.3, равно сумме напряжения питания и напряжения на нерабо­тающей половине коллекторной обмотки, что вместе состав­ляет почти 2U_BX. При рассмот­рении работы схемы не учиты­валась индуктивность рассея­ния трансформатора L_d, резко изменяющаяся при насыщении магнитопровода, т. е. во время переключения транзисторов, Вследствие чего на коллекторе запираемого транзистора соз­дается бросок напряжения, превышающий 2U_BX. Для устранения возможного пробоя транзисторы часто шунтируются стабилитронами VD1, VD2 с напряжением стабилизации, равным 2 U_ВЫХ; в момент запирания транзистора пробива­ется соответствующий стабилитрон, предохраняя таким об­разом транзистор от пробоя (рисунок 14.5).

Рисунок 14.5 – Схема преобразователя напряжения с защитой транзисторов при перенапряжениях