Главная » Книги и журналы

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 22

		Т/г

Рис. 85. Временные диаграммы токов и напряжений в инверторе с активной нагрузкой.

Гг. При этом к началу первичной обмотки трансформатора Тр, которое условно обозначено точкой, оказывается подключенным плюсовый вывод источника питания, а к средней точке-этой обмотки ~ минусовый.

В течение всего рабочего полупериода Г/2 иапряжения на первичной (Ui) и вторичной (Ын) обмотках поддерживаются постоянными, а через Т\ протекает неизменный ток /j равный приведенному току нагрузки:

h = 1

= С„

= =

н = ин ?н:

(8-1)

(8-21 (8-3)

где Wl и Шг -числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора; Сп-напряжение источника питания; Rn-сопротивление нагрузки инвертора.

В момент ?г очередной полупериод работы инвертора заканчивается: транзистор Ti закрывается, транзистор открывается, плюсовый вывод источника питания подключается к концу первичной обмотки трансформатора. При этом полярности напряжений на его обмотках изменяются на противоположные (рис. 8-5), а абсолютное значение выходного напряжения по-прежнему определяется выражением (8-1). Ток через транзистор Гг в течение последующего полупериода во времени не изменяется и равен /j2=K* В момент ts (рис. 8-5) вновь открывается транзистор Ti и закрывается Гг. Далее процессы в схеме инвертора периодически повторяются.

Для инверторов с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора (см. рис. 8-2) напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, равно Cj3 = 2t/n; среднее зиачение тока, протекающего через каждую половину первичной обмотки Тр,

равно /icp =Уп №/B!i)/2 Лн, его эффективное значение-/х^ф = = Un {WilwiYlY2Ra; среднее значение тока, потребляемого от источника питания, равно 1t\=Ut\ (wlwiYIRk-

Для мостовых (см. рнс. 8-3) и полумостовых (см. рис. 8-4) инверторов-напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания = п, среднее и эффективное значения тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора, одинаковы и равны /icp = эф = fn { !>2/Wi)/R .

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертора (см. рис. 8-2) на нагрузку иидук'тивно-а1ивного характера, приведены на рнс. 8-6.

Рис. 8-6. Временные диаграммы токов и напряжений в инверторах с индук- , тивно-активной нагрузкой.

Для каждого полупериода работы инвертора ток его нагрузки определяется выражением

Rh Wi

1 -2е

l + e ) (-1) +. (8-4)

где н - мгновенное значение тока нагрузки; f - частота переключения транзисторов в инверторе; Тц = 1.н/-постоянная времени нагрузки; Хн и Ra - ее индуктивность и активное сопротивление; п - номер рабочего полупериода.

В выражении (8-4) за начало отсчета времени принят момент очередного переключения транзисторов инвертора и смены полярности его выходного напряжения. Как следует из выражения (8-4), в начале каждого рабочего полупериода ток нагрузки инвертора продолжает сохранять свое первоначальное направление в течение времени /цнв (рис 8-6), уменьшаясь по значению. Спустя время t инв ток в нагрузке становится равным нулю, а затем изменяет свое направление.

Физическая сущность протекаюших процессов заключается в следующем. К моменту изменения полярности выходного напряжения в индуктивности нагрузки запасается электромагнитная энергия. После переключения транзисторов инвертора и смены полярности его выходного напряжения ток в нагрузке скачком (как для случая активной нагрузки) изменяться не может; энергия, запасенная в нагрузке, возвращается в течение времени /инв через открытый транзистор в источник питания. Транзистор при этом оказывается в инверсном режиме (рис. 8-6).

В том случае, когда транзистор в инверсном режиме не может пропустить полный ток нагрузки, параллельно ему необходимо включать возвратный диод, как показано на рис. 8-7. На практи-

Рис. 8-7. Шунтирование транзистора возвратным диодом при индуктивно-активной нагрузке инвертора.

ке в инверторах, предназначенных для работы на индуктивно-активную нагрузку, параллельно каждому силовому транзистору обычно включают возвратный диод.

Эффективное значение тока нагрузки в соответствии с выражением (8-4) равно:

и„ W2

4THf 1-е

а его максимальное значение определяется по формуле

, -1/2/т„ Un W2 1 - е и

н.м

Максимальное значение тока транзистора равно

(8-5)

(8-6)

Очевидно, что максимальный ток через возвратные диоды течет, когда транзистор не в состоянии пропустить через себя инверсный ток. При этом время /инв. в течение которого происходит возврат электромагнитной энергии из цепи нагрузки в источник питания, равно:

(8-7)

ннв = Тн In

а среднее значение тока через возвратный диод -

V Wl

fTnl . . -1/2/т„ -=

1/2 fT

(8-8)

Среднее значение. потребляемого инвертором тока может быть вычислено по формуле

1-4/т„

а его эффективное значение равно:

\ Ш1 у

(8-9)

. (8-10)

Эффективное значение тока в цепи первичной обмотки трансформатора для мостовых и полумостовых инверторов (см. рис. 8-3, 8-4) определяется выражением (8-10). Для йнверто'ров с выводом нулевой точки первичной обмотки трансформатора эффективное значение тока в каждой ее половине равно Лэф = п.эфТ^-

Резкая смена полярности тока в питающей линии и возврат энергии в источник питания (см. рис. -8-6) требуют включения на входе инвертора емкостного накопителя. При питании инвертора от выпрямителя с фильтром LC-типа, при большой индуктивности цепи якоря питающего электромашинного генератора постоянного тока, при наличии в линии питания дополнительного дросселя требуемая емкость конденсатора на входе инвертора должна рассчитываться по формуле

2U r

-2T f (l

.-1/2 f t

1,36

1 - e

, (8-11)

где Д - допустимый размах переменной составляющей напря- жения на конденсаторе выбранного типа. Нагрузка индуктивно-активного характера имеет место при работе инвертора на электродвигатели или другие электромагнитные механизмы.

Для обеспечения режима насыщения транзисторов в инверторе и повышения экономичности последнего ток базы каждого открытого транзистора должен рассчитываться по формуле

BHac=(I.2-f- 1.3)

К

и . (8-12)

21э мин

где /б нас - зь открытого транзистора; /213 мнн -минимальный коэффициент передачи тока для транзисторов выбранного типа.

Коэффициент 1,2-1,3 в правой части выражения (8-12) учитывает необходимый запас по насыщению для транзисторов с минимально возможным коэффициентом передачи тока. Степень насыщения транзистора в инверторе характеризуется его коэффициентом насыщения, равным

- 1с Jb нас 213 .

\нас= л (0-13)

к

Подставив в выражение (8-13) значение базового тока, получим значение коэффициента насыщения в виде

Кнас= (1,2 4-1,3) / .

21Э мин

Нетрудно видеть, что коэффициент насыщения транзисторов может изменяться в широких пределах от 1,2-1,3 для транзисторов с минимальным коэффициентом передачи тока Jio (1,2-1,3) X 213 макс /213мнн ля транзисторов с максимальным коэффициентом передачи тока Отношение /213 макс/21Э мин я различных типов транзисторов може составлять от трех до шести и более.

Требуемое значение /виас соответствующее -выражению (8-12), обеспечивается выбором сопротивления резистора в цепи базы транзистора (рис. 8-8) и иапряжения управления Uy-.

У -БЭиас Бнас--Ъ- (8-1)

Напряжение Uy, как правило, выбирают из условия Uy х (3-ь5) Cgggj.. При меньших значениях Uy на ток базы сильное влияние оказывает разброс значений t/gg нас> который имеет jecTO для транзисторов любого типа. При Uy > 5 [/gg сильно возрастают потери мощности в цепи управления каждого транзистора, что приводит к уменьшению к.п.д. инвертора.

Режим отсечки транзисторов в инверторе обычно обеспечивается подачей запирающего напряжения между его базой и эмиттером (полярность этого напряжения должна быть противоположна указанной на рис. 8-8). Запирающее напряжение, как правило, со-

Г

Рис. 8-8. Цепь управления транзистора в инверторе.

ставляёт 2-5 В и ие должно превышать предельно допустимого значения напряжения эмиттер-база для соответствующего типа транзистора.

Рассмотренные процессы имеют место во всех приведенных выше схемах инверторов (см. рис. 8-2-8-4) независимо от способа управления транзисторами. Специфика различных схем инверторов

проявляется лишь в том, каким образом развивается процесс открывания и закрывания транзисторов, т. е. в процессах коммутации. Ниже дается описание принципов действия основных едем инверторов и проводится их сравнение.

8-2. Автогенераторы с- насыщающимся силовым трансформатором

Автогенераторы с насыщающимся трансформатором относятся к числу простейших полупроводниковых инверторов. Основные схемы данных устройств приведены на рис. 8-9.

tВыход Q

Q Выход о

Рис. 8-9: Автогенераторы с насыщающимся силовым трансформатором.

В рассматриваемых автогенераторах управление транзисторами осуществляется с помощью дополнительных ( базовых ) обмоток, расположенных на сердечнике трансформатора. Эти обмотки включены таким образом, чтобы в схемах автогенераторов была осуществлена положительная обратная связь. За счет этих обмоток одни из транзисторов автогенератора открыт и находится в режиме насыщения, а другой закрыт и находится в режиме отсечки. Поскольку принцип действия всех автогенераторов, схемы которых приведены на рис. 8-9, одинаков, ограничимся рассмотрением переходных процессов коммутации транзисторов на примере схемы рнс. 8-9, б.

Пусть в произвольно выбранный начальный момент времени транзистор Ti открыт, а транзистор Т2 закрыт. Первичная обмотка трансформатора своим началом (условно обозначено точкой) подключена к положительному полюсу источника питания. Полярность напряжений на остальных обмотках трансформатора такова, что Ti поддерживается в режиме насыщения, а транзистор Tj -в режиме отсечки. Такое исходное состояние транзисторов будет иметь место в течение всего интервала времени, пока к базе Т\ будет приложен отрицательный, а к базе положительный потенциал относительно общей точки их эмиттеров.

Переключение транзисторов начнется в момент насыщения трансформатора, когда его ток холостого хода резко увеличивается, стремясь в пределе (при открытом транзисторе Ti) к значению тока короткого замыкания источника питания. Возрастание тока холостого хода трансформатора вызывает увеличение коллекторного тока открытого транзистора 7j, в результате чего условие его насыщения перестает выполняться. Транзистор 7 , при этом переходит из режима насыщения, в котором падение напряжения между его эмиттером и коллектором было мало и не превышало единиц вольта, в режим усиления, когда напряжение на нем возрастает, а ток коллектора становится пропорционален току его базы.

Увеличение падения напряжения между эмиттером и коллектором Г, приводит к соответствующему уменьшению напряжения на первичной и остальных обмотках трансформатора, в результате чего ток базы Ti уменьшается. Это приводит к дальнейшему уменьшению тока коллектора Ti и возрастанию приложенного к нему иапряжения.

В лавинообразном развитии процесса переключения транзисторов принимает участие и насыщенный трансформатор. Благодаря запасенной в нем электромагнитной энергии обеспечивается резкая смена полярности напряжений на его обмотках, что приводит к появлению тока базы у ранее закрытого транзистора Гг. Далее одновременно с процессом закрывания транзистора 7 i и увеличения напряжения на его коллекторе происходит процесс открывания транзистора Гг и уменьшения напряжения на его коллекторе.

Оба этих процесса заканчиваются в момент насыщения транзистора Гг и полного закрывания транзистора Т\. При этом напряжение на первом из них практически равно нулю, на втором - удвоенному значению напряжения питания. Первичная обмотка Тр оказывается подключенной своим концом к положительному полюсу источника питания; полярности напряжений на остальных обмотках также будут противоположными исходным: Г; поддерживается в закрытом состоянии, Гг -в открытом. К базе первого из них относительно эмиттера приложен положительный потенциал, К базе второго - отрицательный. При следующем насыщении трансформатора Тр снова произойдет переключение транзисторов в исходное состояние: Т, открыт, Гг закрыт и т. д. Процессы переключения транзисторов из одного состояния в другое имеют периодический характер.

Длительность процессов переключения, а следовательно, и длительность фронтов переменного напряжения резко увеличиваются по мере уменьшения скорости изменения тока в коллекторной цепи закрываемого транзистора и увеличения индуктивности намагничивания трансформатора в его насыщенном состоянии. Наименьшая длительность фронтов и наименьшая длительность процессов

переключения будут иметь место в случае выполнения магнитопровода трансформатора из ферромагнитных махериалов с высокой прямоугольностью петли гистерезиса (например, из пермаллоев типов 34НКМП, 79НМ и т. п.).

Для автогенераторов с общим резистором 7?2, включенным в базовые цепи одновременно обоих транзисторов (рис. 8-9, а), процесс переключения транзисторов происходит быстрее, чем для рассмотренной выше схемы. Здесь после смены полярности напряжений на обмотках трансформатора ток базы открывающегося транзистора на время переходного процесса не ограничен резистором i?2- Этот ток протекает через базовую обмотку трансформатора и через базу закрываемого транзистора, причем переход эмиттер-база последнего при этом способен кратковременно пропустить в обратном направлении значительный ток вследствие большой инерционности процесса его закрывания.

При выполнении автогенератора по схеме, изображенной на рис. 8-9, а, необходимо следить за тем, чтобы ток базы обоих транзисторов не превышал своего предельно допустимого значения.

Для ускорения процессов переключения транзисторов в автогенераторе, выполненном на силовых бездрейфовых транзисторах, уменьшения потерь мощности в них, сокращения длительности фронтов перемеииого напряжения параллельно дополнительным резисторам, включаемым в цепи баз транзисторов, подключаются конденсаторы (С - на рис. 8-9, а; d и Cj - иа рис. 8-9, б). Благодаря этим конденсаторам амплитуда обратного тока в цепи базы каждого из транзисторов в момент их закрывания оказывается значительно большей, чем при отсутствии указанных конденсаторов.

Включение таких конденсаторов, которые в силу выполняемой ими функции получили название форсирующих, приводит к увеличению напряжения эмиттер-база закрытого транзистора. Это не всегда приемлемо для дрейфовых транзисторов, которые, как правило, имеют малое предельно допустимое значение этого напряжения.

Для всех автогенераторов с насыщающимся силовым транс--форматором амплитуда тока коллектора каждого из транзисторов равна:

ки.макс~21Эмакс БнаС (8-15)

При выборе значения тока базы насыщенного транзистора из условия (8-12) амплитуда тока коллектора значительно превышает максимальное значение приведенного .тока нагрузки:

(Vh.mskc/K = (1,2-7- 1,3) /21 Эмакс/21Эмнн-При типовом для силовых транзисторов соотношении 213 макс . , , , ,*

---= 6-е-10 отношение достигает значения

213 мин 7,2-13.

Ввиду того, что амплитуда тока коллектора транзистора не должна превышать его предельно допустимого значения (ки макс и.доп)> для автогенераторов с насыщающимся силовым трансформатором должны использоваться транзисторы с

большим запасом по току коллектора к (0,14 0,08) х X н. доп .

Плохое использование силовых транзисторов по току, большие потери мощности в транзисторах на их коммутацию и сравнительно низкий к.п.д. являются основным недостатком простейших автогенераторов.

Такие автогенераторы получили широкое практическое использование при частотах переключения не более 1-2 кГц и выполняются, как правило, на силовых бездрейфовых транзисторах. Автогенераторы с насыщающимся силовым трансформатором рекомендуется применять для питания сравнительно маломощных нагрузок, когда их выходная мощность не превышает 10-15 Вт.

Для выполнения автогенераторов по схемам рис. 8-9, а, б необходимы сравнительно высоковольтные транзисторы с С|эмакс' > 2,5 Uji- Схема на рис. 8-9, а обеспечивает при прочих равных условиях меньшие потери мощности в транзисторах, меньшую длительность фронтов переменного напряжения и больший к.п.д. по сравнению со схемой, приведенной на рис. 8-9, б. Включение форсирующих конденсаторов делает обе эти схемы идентичными по своим параметрам.

Мостовая схема (рис. 8-9, в) используется, когда в распоряжении разработчика отсутствуют транзисторы с С|э макс 2,5 f/n. Такой автогенератор хотя и содержит вдвое большее число транзисторов по сравнению с двумя предыдущими схемами, однако требует более низковольтных транзисторов. Каждый из транзисторов в этом автогенераторе может иметь вдвое меньшее предельно допустимое напряжение эмиттер-коллектор.

Полумостовая схема (рис. 8-9, а) сочетает в себе достоинства ранее рассмотренных схем: позволяет использовать сравнительно низковольтные транзисторы с Срэмакс^С' ) и содержит минимальное число силовых транзисторов. Наибольшие трудности при ее практической реализации обусловлены тяжелыми электрическими режимами работы конденсаторов в емкостном делителе иапряжения (С Сг). Через каждый из этих конденсаторов поочередно протекает полный ток нагрузки, приведенный ко входу автогенератора.

При работе автогенераторов на индуктивно-активную нагрузку переменные напряжения на обмотках трансформатора изменяют свою полярность скачкообразно: выход закрывающихся транзисторов из режима насыщения сопровождается мгновенным открыванием соответствующих возвратных диодов. На рис. 8-9 эти диоды показаны пунктиром.

Отметим, что хотя на рис. 8-9 приведены схемы автогенераторов на транзисторах р-п-р типа, принципиально они могут вьшол- пяться и иа транзисторах п-р-п-тпа. В последнем случае полярность питающего напряжения и полярности возвратных диодов должны быть обратными указанным иа рис. 8-9.

Для всех автогенераторов с насыщающимся силовым трансформатором частота преобразования, а следовательно, и частота выходного напряжения определяется параметрами трансформатора:

где и, - напряжение на первичной обмотке трансформатора; w, - число ее витков; Bg - индукция насыщения материала магййто-провода трансформатора, Тл; Qcr-его сечение, см; йст -коэффициент заполнения магнитопровода ферромагнитным материалом. Для ориентировочного расчёта частоты в формулу (8-16) вместо Ui можно подставить значение напряжения питания автогенератора, пренебрегая при этом сравнительно небольшим падением напряжения на открытых транзисторах.

8-3. Автогенераторы с неиасыщающимся силовым трансформатором

Насыщение силового трансформатора и появление коммутационных перегрузок силовых транзисторов являются основными недостатками рассмотренных в предыдущем параграфе автогенераторов. Для исключения насыщения силового трансформатора в схему автогенератора необходимо ввести дополнительные элементы, обеспечивающие начало процесса переключения раньше,- чем произойдет насыщение силового трансформатора. На рис. 8-10 приведены основные схемы автогенераторов с неиасыщающимся силовым трансформатором.

В- схемах, изображенных на рис. 8-10, а, б, между силовым трансформатором Тр, и базовыми цепями транзисторов включен маломощный насыщающий трансформатор Трч. На примере автогенератора, схема которого приведена на рис. 8-10, а, рассмотрим принцип действия таких автогенераторов.

Пусть в исходном состоянии., автогенератора транзистор Т, открыт, а транзистор Тч закрыт. При этом первичная обмотка трансформатора Тр, своим началом, которое условно обозначено точкой, подключена к положительному полюсу источника питания; напряжение на выходной обмотке насыщающегося трансформатора Тр2 имеет полярность, указанную на рис. 8-10, а. К базе открытого транзистора Т, относительно его эмиттера-приложен отрицательный потенциал, удерживающий его в открытом состоянии. К базе транзистора Tj относительно его эмиттера приложен положительный потенциал, удерживающий данный транзистор в закрытом, состоянии. Исходное состряние схемы будет сохраняться до тех пор, пока не произойдет насыщение трансформатора Трч.

При насыщении Трч происходит увеличение тока холостого хода, что вызывает соответствующее увеличение падения напряжения на резисторе R3, включенном в цепь его первичной обмотки, и уменьшение напряжения на выходных обмотках Трч. Последнее вызывает уменьшение тока базы открытого транзистора Т, и уменьшение запирающего смещения на. входе транзистора Т^. Прн этом ток базы Т, может уменьшаться вплоть до своего нулевого значения.

В результате нарушения условия насыщения открытого транзистора Т\ напряжение на нем возрастает, что приводит к уменьшению иапряжений на обмотках трансформатора Тр,. Как только напряжение на обмотке ш, начнет уменьшаться, напряжение на обмотках насыщенного трансформатора Трч благодаря накопленной в нем электромагнитной энергии скачком изменяет свою полярность - к базе Т, будет теперь приложен запирающий потенциал, к базе jTs - отпирающий.

1 ... 11 12 13 14 15 16 17 ... 22