Главная » Книги и журналы

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 22

гулирующего транзистора увеличивается. Выходное напряжение стабилизатора оказывается при этом практически неизменным и равным опорному напряжению.

Схема стабилизатора, изображенная на рис. 7-15, б, отличается от рассмотренной только тем, что здесь в качестве Тр использован автотрансформатор.

Параметрические стабилизаторы отличаются наибольшей простотой и содержат минимально возможное число электрорадиоэлемеитов. Однако их эффективное использование ограничивается случаем неизменной нагрузки.

На рис. 7-16 приведена одна из схем импульсного стабилизатора релейного типа, в котором роль релейного элемента играет

Рис. 7-16. Импульсный стабилизатор релейного типа со стабилитроном в качестве релейного элемента.

стабилитрон Лг. Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на вход стабилизатора через базу транзистора Т^ и делитель Ri, ftj начинают протекать токи. Транзистор Гг открывается, обеспечивая электрическую цепь для тока базы регулирую--щего транзистора Г]. В результате открывания последнего напряжение подается на вход сглаживающего фильтра.

Регулирующий транзистор будет находиться в открытом состоянии до тех пор, пока не произойдет открывание стабилитрона Ди- После этого через базу транзистора Гз начинает протекать ток, транзистор открывается, закорачивая вход транзистора Гг- Последнее приводит к выключению транзистора Гг, а следовательно, и регулирующего транзистора Г). Напряжение на выходе стабилизатора вначале продолжает увеличиваться, а затем, достигнув максимального значения, уменьщается.

При некотором значении выходного напряжения стабилитрон Дг вновь закрывается, что приводит к закрыванию транзистора Гз и открыванию транзисторов Г, и Гг. Напряжение на выходе стабилизатора вначале продолжает уменьшаться, а затем, достигнув минимального значения, увеличивается. Прн следующем открывании Дг регулирующий транзистор вновь закрывается и т. д. Увеличение (уменьшение) выходного напряжения стабилизатора при-

водит к соответствующему увеличению (уменьшению) длительности закрытого состояния регулирующего транзистора, в результате чего выходное напряжение поддерживается практически на неизменном уровне.

В импульсном стабилизаторе релейного типа, схема которого приведена на рис. 7-17, использован триггер Шмитта. Триггер

Рис. 7-17. Импульсный стабилизатор релейного типа с триггером Шмнтта.

Шмитта выполнен на транзисторах и и управляет работой составного регулирующего транзистора.

Стабилизатор работает следующим образом. При подаче напряжения питания в триггере открывается транзистор Т4; его базовый ток протекает через резистор Rio, вспомогательный источник питания и^с и открывшийся регулирующий транзистор Ti-Т^. Ток базы последнего обеспечивается вспомогательным источником и ограничен сопротивлениями резисторов R и е- Транзистор Г5 усилителя постоянного тока при этом закрыт.

Выходное напряжение стабилизатора увеличивается, достигая определенного значения, при котором в коллекторе транзистора Г5 начинает нарастать ток. Дальнейшее увеличение коллекторного тока Тъ приводит к уменьшению тока базы транзистора Ti. При достижении последним значения, соответствующего порогу срабатывания триггера Шмитта, триггер срабатывает и переключается в состояние, противоположное исходному: транзистор 4 под действием внутренней положительной обратной связи закрывается, а ранее закрытый транзистор Тз открывается.

Открывание Т3 вызывает увеличение тока через резистор Rn, падение наприжения на котором становится больше значения t/вс. что приводит к закрыванию регулирующего транзистора. После этого напряжение на выходе стабилизатора некоторое время увеличивается за счет колебательного переходного процесса, а затем начинает уменьшаться. Уменьшение выходного напряжения приводит к уменьшению тока коллектора транзистора Т^ и увеличению тока базы транзистора Т^. При достижении последним значения, соответствующего порогу отпускания триггера Шмитта, триггер возвращается в исходное состояние:- Т^ открыт и насыщен, транзистор Ts закрыт. Регулирующий транзистор в этом состоянии вновь открывается.

Процесс переключения триггера Шмитта и регулирующего транзистора в рассматриваемом стабилизаторе носит периодический характер; частота переключений транзисторов определяется параметрами элементов стабилизатора.

Одна из схем импульсных стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис. 7-18. Регулирующий транзистор

Рис. 7-18. Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, выполненный на базе улравляемого мультивибратора.

в рассматриваемом стабилизаторе, выполнен составным на транзисторах Ti-T. Его открывание имеет место при закрытом транзисторе Гд, когда ток его базы протекает через резистор Ry. При открывании Гд запирающее смещение от конденсатора прикладывается четез диоды Де и Дд к базам одновременно всех транзисторов Гб-Tj, и регулирующий транзистор закрывается.

Управление моментами открывания и закрывания транзистора Гд, а следовательно, и регулирующего транзистора осуществляется сигналом с выхода управляемого мультивибратора, выполненного на транзисторах Гг и Г4. В цепи разряда конденсаторов и Сз включены транзисторы Ту н Г3, работающие в режиме усиления. На вход Ту подается опорное напряжение со стабилитрона Дз (стабилитрон Д4 служит для термокомпенсации опорного напряжения), на вход Гз -часть выходного напряжения стабилизатора с резистора Rw и верхней части резистора Rn-

Стабилизатор работает - следующим образом. Пусть, например, в процессе его работы выходное напряжение увеличилось, что приводит к увеличению напряжения на резисторах Ru и Rn и увеличению токов базы и коллектора транзистора Г3. Последнее вызыва-

ет увеличение падения напряжения на резисторе Rs и соответствую-- щее уменьшение токов базы и коллектора транзистора Г,.

Увеличение тока коллектора транзистора Гз приводит к более быстрому перезаряду конденсатора Сз, напряжение на котором имеет полярность, указанную на рис. 7-18, и через открытый транзистор Г4 удерживает транзистор Гг в закрытом состоянии. Одновременно уменьшение тока через коллектор транзистора Ti вызывает увеличенне тока через конденсатор Cj и его более быстрый заряд. Таким образом, при увеличении выходного напряжения, стабилизатора имеет место более быстрый перезаряд Cj и Сз, в результате чего открывание транзистора Гг и закрывание транзистора Г4 (т. е. переключение мультивибратора в противоположное исходному состояние) происходят раньше. Это приводит к более раннему открыванию транзисторов Ге и Г9 и закрыванию регулирующего транзистора.

После переключения транзисторов Гг и Г4 разряд конденсаторов Сг и Сз происходит медленнее, чем в предыдущем состоянии мультивибратора. Вследствие этого относиуельная длительность открытого состояния транзисторов и Гд по отношению к длительности рабочего периода увеличивается, а относительная длительность открытого состояния регулирующего транзистора уменьшается по сравнению со случаем номинального выходного напряжения стабилизатора. Это приводит к тому, что выходное напряжение будет возвращаться к своему номинальному значению после воздействия дестабилизирующего фактора, приводящего к его увели-. чению.

При уменьшении выходного напряжения происходят процессы противоположного характера, в результате которых относительная длительность открытого состояния регулирующего. транзистора увеличивается. При этом выходное напряжение стабилизатора вновь возвращается к своему номинальному значению.

Дроссель Др2 играет роль накопителя энергии и выполнен двухобмоточным; через его вторичную обмотку электромагнитная энергия, накопленная при открытом регулирующем транзисторе, поступает в нагрузку через диод Дг, когда регу-лирующий тран- зистор переключится в закрытое состояние. На дросселе Дрг выделяется переменная составляющая напряжения, снимаемого с выхода регулирующего транзистора. При открытом состоянии Г5 к первичной обмотке Др2 прикладывается напряжение, равное разности напряжения питания U и напряжения на нагрузке Uu, при закрытом состоянии Г5 ко вторичной обмотке Дрг прикладывается напряжение, равное Ua. Цепочка Дрь Д1 служит для уменьшения коммутационных токов, в коллекторе регулирующего транзистора при его открываний (см. § 7-1).

Сравнительно широкое практическое применение в источниках вторичного электропитания получил импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией, схема которого приведена на рис. 7-19. Здесь регулирующий транзистор Г3-Г4 открывается с помощью резисторов R и Rs, подключенных между его входом и минусовой шиной источника питания. Для закрывания регулирующего транзистора служат транзистор Г, и вспомогательный источник постоянного тока. Последний образован выпрямителем на диодах Д4-Д7 с емкостным фильтром Ci; на вхОд выпрямителя подается напряжение прямоугольной формы с обмотки трансформатора Тр. .

Рис. 7-19. Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляиией и дополнительным источником переменного напряжения прямоугольной формы.

Источником переменного напряжения прямоугольной формы может служить либо силовой инвертор при его питании с выхода рассматриваемого стабилизатора, либо вспомогательный инвертор, питающийся от стабилизированного источника постоянного тОка. В базовую цепь транзистора Ту включен транзистор Т'з, на входе которого происходит суммирование двух напряжений, одно из которых линейно изменяется во времени (напряжение на резисторе Ri), а другое пропорционально напряжению на выходе стабилизатора (напряжение на резисторе 7). Линейно-изменяющееся напряжение на Ri является запирающим для транзистора Т^, напряжение на резисторе Rj - отпирающим. В той части рабочего периода, где первое превышает второе, транзистор закрыт, а регулирующий транзистор Тз открыт. На остальной части периода напряжение на Rr больше, чем напряжение на Ri, и транзистор Т^ открыт, а регулирующий транзистор Т'з закрыт. В зависимости от соотношения между указанными выше напряжениями изменяется относительная длительность открытого состояния транзистора Т2, а в конечном счете и регулирующего транзистора.

Линейно-изменяющееся во времени напряжение на Ri получается с помощью выпрямителя на диодах Дю-Д13 и дифференцирующего конденсатора Сз из прямоугольного напряжения, которое подается с одной из обмоток трансформатора Тр.

Для выделения сигнала, пропорционального выходному напряжению стабилизатора, служит усилитель постоянного тока на транзисторе Ts, в эмиттерную цепь которого включен источник опорного напряжения (стабилитрон Дд), а база подключена к делителю напряжения Re-Rio- Конденсатор Cj играет роль цепи гибкой отрицательной обратной связи, повышающей устойчивость работы стабилизатора и исключающей режим автоколебаний. Частота пере-

ключений регулирующего транзистора равна частоте напряжения переменного тока, подаваемого на обмртки трансформатора Тр.

При увеличении выходного напряжения стабилизатора относительно своего номинального значения увеличиваются напряжение на резисторе Ri и относительная длительность открытого состояния транзисторов Т\ и Тч. Вследствие этого уменьшается длительность открытого состояния регулирующего транзистора, что приводит к уменьшению напряжения на выходе стабилизатора. При уменьшении выходного напряжения длительность открытого состояния Т^ и Гг уменьшается, а Гз и Г4 - увеличивается.

На рис. 7-20 приведена схема высокочастотного импульсного стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией, содержащего генератор пилообразного напряжения. Напряжение питания U

Рис. 7-20 Высокочастотный импульсный стабилизатор с .широтно-импульсной модуляцией

через регулирующий транзистор Т^-Т^ периодически поступает на вход £.С-фильтра {Дри Сф), который выделяет постоянную составляющую напряжеиня. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется путем изменения времени открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора с помощью маломощной цепи обратной связи, которая состоит из генератора пилообразного напряжения (ГПН)- Ге, Гд, Де, Дв, Сг, Сз, Rie, Rig-Rzi, синхронизи-pyeirforo от внешнего генератора прямоугольных импульсов; схемы сравнения, выполненной в виде дифференциального- усилителя Tg, Тъ RiG-Rii, Rii, 15; управляющего каскада Г Гг, 7, Ди Де, Дъ r1-R9, Ris.-

Полученное с выхода ГПН (Ru) пилообразное напряжение поступает на вход дифференциального усилителя. На его второй вход подается сигнал, пропорциональный выходному напряжению. Усилитель после сравнения напряжений выдает (с коллектора Те) импульсы трапецеидальной формы, длительность которых пропорциональна выходному напряжению стабилизатора. Управляющий каскад преобразует выходной сигнал дифференциального усилителя в прямоугольные импульсы, управляющие работой регулирующего транзистора. Источником опорного напряжения является стабилитрон Дв.

Известно, что одной из особенностей работы импульсного стабилизатора постоянного напряжения на повышенных частотах является возрастание' коммутационных потерь мощности в регулирующем транзисторе. Применение мощных дрейфовых транзисторов позволяет значительно уменьшить фронты напряжения и тока, од-, нако отсутствие силовых диодов с малым временем рассасывания избыточных носителей приводит к появлению больших коммутационных выбросов тока в коллекторной цепи регулирующего тран- зистора. Известные методы уменьшения коммутационных всплесков тока сводятся к уменьшению скорости его нарастания, что вызывает увеличение времени рассасывания избыточных зарядод в базовой области закрываемого диода.-Это приводит к расширению управляющего импульса на значение, соизмеримое для рассматриваемого стабилизатора с периодом коммутации. Для уменьшения коммутационных всплесков тока в коллекторную цепь регулирующего транзистора Гд введена цепочка из Др, Д,о, Rn-

В заключение данного параграфа остановимся на следующем вопросе. До настоящего времени развитие полупроводниковой техники шло в таком направлении, что импульсные свойства силовых

транзисторов, применяемых в ИВЭ, оказывались значительно лучшими (в ряде случаев соизмеримыми с импульсными свойствами силовых диодов).

В то же время при проектировании импульсных стабилизаторов выбор менее инерционных диодов является важным средством уменьшения коммутационных перегрузок регулирующего транзистора (см. § 7-1). В связи с отсутствием достаточной номенклатуры силовых импульсных диодов, выпускаемых отечественной промыш-

-ленностью, разработчики источников питания периодически воз- вращаются к вопросу об использовании силовых, транзисторов в диодном режиме в качестве блокирующих диодов импульсных стабилизаторов. Однако такой подход не может коренным образом решить задачу уменьшения коммутационных перегрузок регулирующего * транзистора в стабилизаторе. В качестве примера на рис. 7-21 приведены осциллограммы тока через регулирующий

ггеое/диодн.еил)

кдгоч \ктзве(диодн.бкл.)

\гтэое(диовн.

Рис. 7-21. Осциллограммы тока коллектора регулирующего транзистора в импульсном стабилизаторе при использовании диодов различных типов в качестве блокирующего диода.

г икс

транзистор одного и того же стабилизатора, снятые при прочих равных условиях для различных типов блокирующего диода.

Приведенные осциллограммы позволяют сделать вывод о том, что транзисторы в диодном режиме не могут обеспечить эффективную коммутацию полупроводниковых приборов в импульсных стабилизаторах.

Простейшие импульсные параметрические стабилизаторы (см. рис. 7-15) целесообразно использовать в случае, когда нагрузка

стабилизатора в процессе его работы постоянна, и допускает сравнительно большую нестабильность выходного напряжения (до ±5-107о)- Кроме того, нагрузка стабилизатора и источник его питания должны быть некритичны к значительным изменениям в пропессе работы частоты пульсаций выходного напряжения и частоты следования импульсов потребляемого стабилизатором тока.

В тех случаях, когда для питания нагрузки требуется более стабильное напряжение с относительной нестабильностью ниЖе ±1-3%, на практике используются импульсные стабилизаторы релейного типа (см. рис. 7-14, 7-16, 7-17 и т. п.) и стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией (см. рис. 7-18, 7-19 и др.), содержащие цепь отрицательной обратной связи с выхода стабилизатора на вход регулирующего транзистора.

Стабилизаторы релейного типа обладают большим быстродействием и при наличии на их входе низкочастотной пульсации питающего напряжения (например, при питании импульсного стабилизатора с выхода выпрямителя) позволяют обойтись сглаживающим фильтром меньших габаритов и массы, чем в случае стабилизаторов с широтно-импульсной модуляцией. Для последних сглаживающий фильтр должен быть рассчитан с учетом пульсаций питающего . напряжения. С другой стороны, выходное напряжение импульсных стабилизаторов релейного типа принципиально имеет сравнительно большие пульсации (до ±10-20% номинального значения выходного напряжения), частота которых изменяется в процессе работы стабилизатора. Этот недостаток таких стабилизаторов обусловлен тем, что .переключения регулирующего транзистора в них возможны только в результате изменения выходного напряжения.

Для стабилизаторов с широтно-импульсной. модуляцией частота ; пульсаций выходного напряжения в процессе работы неизменна, а их амплитуда может быть обеспечена сколь угодно малой за счет увеличения массы и габаритов сглаживающего фильтра. Обычно амплитуда пульсаций выходного напряжения для таких стабилизаторов не превьппает ±0,1-1% его номинального значения.

В заключение отметим, что в рассмотренних стабилизаторах принципиально могут быть использованы как транзисторы р-п-р типа, так и транзисторы п-р-п типа. При замене транзисторов одного типа транзисторами другого типа в одном и том же стабилизаторе необходимо изменить на противоположные полярность питающего напряжения, полярности включения диодов, стабилитронов, электролитических конденсаторов фильтров.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ (ИНВЕРТОРЫ) 8-1. Однофазные инверторы (общие замечания)

Под инвертированием понимается преобразование постоянного тока в переменный. Сущность инвертирования заключается в том, что первичная обмотка силового трансформатора (в некоторых специально оговоренных случаях речь может идти непосредственно о нагрузке) поочередно подключается к сети постоянного тока с противоположной полярностью. При этом на обмотках трансформатора появляется переменное напряжение прямоугольной, трапецеидальной, ступенчатой или синусоидальной формы.

Устройства, которые осуществляют такое преобразование, получили название инверторов. Таким образом, каждый инвертор в ИВЭ включает в себя силовые переключающие элементы, которые осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с напряжением прямоугольной формы; схему управления силовыми переключающими элементами, обеспечивающую их поочередную коммутацию; силовой трансформатор, который преобразует переменное напряжение и обеспечивает электрическую изоляцию выходных цепей друг от друга и от первичного источника.

Наиболее широкое применение в ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры в качестве силовых переключающих элементов получили транзисторы. Энергетически выгодно, чтобы транзисторы работали в режиме переключений, скачкообразно изменяя полярность напряжения иа первичной обмотке трансформатора. В этом случае потери мощности в транзисторах будут наименьшими, а к.п.д. инвертора - наибольшим.

По принципу действия транзисторные инверторы подразделяются на преобразователи с самовозбуждением и преобразователи с независимым возбуждением. Преобразователи с самовозбуждением выполняют в виде автогенераторов с трансформаторной обратной связью. Преобразователи с независимым возбуждением, кроме собственно инвертора, который в этом случае называют усилителем мощности, содержат также маломощный задающий генератор, который обеспечивает подачу импульсов управления к силовым транзисторам (рис. 8-1). В качестве последнего обычно используют транзисторный автогенератор.

О

ЗадающиЁ генератор

управления

Инвертор.

(усилитель

мощности)

Выход

. Рнс. 8-1. Функциональная схема преобразователя с независимым возбуждением.

Оба указанных типа инвертора могут выполняться по схеме с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (рис. 8-2), по мостовой (рис. 8-3) или полумостовой (рис. 8-4) схеме. В последнем случае может быть использован источник питания с выводом нулевой точки.

Рис. 8-2. Силовая часть инверторов с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора.

Рис. 8-3. Силовая часть мостовых инверторов.

Рис. 8-4. Силовая часть полумо.с-товых инверторов.

О О

Нагрузка в мостовой или полумостовой схеме принципиально может включаться и без силового трансформатора, непосредственно в диагональ силовой схемы. Однако такой случай в ИВЭ радиоэлектронных устройств практически не пр>1меняется из-за необходимости электрической изоляции выходных цепей друг от друга и от питающей сети, а также необходимости согласования потребителей энергии с первичным источником.

В инверторах принципиально могут быть использованы транзисторы обоих типов проводимости р-п-р и п-р-п. в последнем случае полярность напряжения должна быть обратной по сравнению с инверторами на транзисторах р-п-р типа. Транзисторы в инверторах с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора могут быть включены по схеме с объединенными эмиттерами (как показано на рис. 8-2) или объединенными коллекторами. Во втором случае принципиально не требуется электрическая изоляция корпуса каждого транзистора от общего , радиатора, отводящего тепло от транзисторов.

Процессы, протекающие в инверторах различных типов, полностью идентичны, за исключением того, что в мостовых схемах (рис. 8-3) одновременно проводят ток по два транзистора (Т\ и Ti или Гг и Гз), в то время как в остальных схемах - по одному. Исходя из этого, процессы в инверторах при их работе на нагрузку активного и индуктивно-активного характера рассмотрим иа примере инвертора, схема которого приведена на рис. 8-2.

Идеализированные временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу инверторов на активную нагрузку, изображены иа рнс. 8-5. Пусть, например, в момент времени (рис. 8-5) в схеме на рис. 8-2 открылся транзистор Г, и закрылся

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 22