Главная » Книги и журналы

1 ... 12 13 14 15 16 17 18 ... 22

Выход <?

О Выход О

t-jiit-J

трг

Выход

Uh ,

fli Дз ~i г

2 in

Выход Uh

N==4 ДН

выход О

о Выход О

Wy

17 17

ap l£l

о

t г

Рис. 8-10. Автогенераторы с ненасыщающимся силовым трансформатором.

Смена полярности напряжений на обмотках rj 2 обусловливает начало лавинообразного процесса переключения Транзисторов, приводящего к полному закрыванию транзистора 7 i, открыванию транзистора Тч и смене полярности напряжений на обмотках трансформатора 7 pi.

Вновь установившееся состояние будет сохраняться до тех пор, пока трансформатор Тр снова войдет в режим насыщения. Прн этом также начнется описанный выше лавинообразный процесс переключения транзисторов, в резу.чьтате которого схема придет к исходному состоянию: транзистор Г, открыт, транзистор Tj закрыт.

Процессы переключения транзисторов в автогенераторе и смены полярности его выходного напряжения имеют периодический характер. Цепочка, состоящая из резисторов R R и конденсатора Си служит для облегчения процесса начального самовозбуждения данного автогенератора. В момент подачи иа его вход напряжения питания протекающий через конденсатор С, и резистор R2 ток создает на последнем достаточно большое падение напряжения. Это напряжение прикладывается между базами н эмиттерами обоих транзисторов, вызывая протекание начальных базовых токов достаточно большого значения. В резу.чьтате этого выполнение условий самовозбуждения автогенератора значительно облегчается и обеспечивается его надежный запуск. Более подробную информацию об условиях самовозбуждения автогенераторов и о расчете запускающих цепочек можно найти в специальной литературе. Отметим, что автогенераторы, выполненные на силовых кремниевых дрейфовых транзисторах, отличаются значительно худшим запуском по сравнению с автогенераторами, выполненными на германиевых бездрейфовых транзисторах.

Схема, приведенная на рис. 8-10,6, представляет собой мостовой аналог предыдущей схемы н отличается от последней только тем, что насыщающийся трансформатор Трг включен не к выводам вспомогательной обмотки силового трансформатора Три а подключен параллельно его первичной обмотке. При этом несколько упрощается схема силового трансформатора за счет уменьшения числа его обмоток, однако значительно возрастают потерн мощности в резисгоре Rt, включенном в цепь первичной обмотки насыщающегося трансформатора.

В схемах автогенераторов с неиасыщающимся силовым трансформатором, приведенных на рнс. 8-10, в, г, в базовые цепи силовых транзисторов включен нелинейный насыщающийся дроссель ЦН. Принцип работы таких устройств рассмотрим на примере схемы, изображенной на рис. 8-10, в. Пусть в исходном состоянии схемы открыт транзистор н закрыт транзистор Т^. Это состояние поддерживается за счет базовых обмоток трансформатора Тр, которые обеспечивают положительную обратную связь: отрицательный потенциал приложен к базе fi относительно его эмиттера, положительный потенциал -к базе- Т^. Через открытый переход эмиттер-база транзистора Г) (падение напряжения иа переходе при этом мало) н диод Д4 дроссель ДН подключен к одной из базовых обмоток Тр.

Нетрудно видеть, что в исходном состоянии схемы ток базы открытого транзистора Т, равен разности тока, протекающего че-. рез резистор Ru и тока дросселя ДН. При ненасыщенном ДН ток 6 нем обычно мал и по значению во много раз меньше тока в резисторе Ru Для этой цели насыщающийся дроссель выполняют на

магнитопроводе из магнитного материала с прямоугольной петлей намагничивания, например из пермаллоя марки 79НМ.

При насыщении ДН ток в нем резко возрастает и становится больще тока в резисторе Ru что приводит к изменению направления базового тока транзистора Ти Иными словами, положительный потенциал от базовой обмотки через диод Дi и насыщенный дроссель ДН прикладывается к базе открытого транзистора 7 , относительно его эмиттера. Это приводит к закрыванию Ti и за счет действия положительной обратной связи к открыванию транзистора Ti. Полярности напряжений на обмотках трансформатора при этом изменяются на противоположные.

Обмотка дросселя ДН оказывается подключенной к другой базовой обмотке трансформатора через диод и открытый переход эмиттер-база транзистора Т^, причем полярность приложенного напряжения также будет противоположна исходной. Когда магнитопровод дросселя ДН, перемагничиваясь под действием этого напряжения, вновь заходит в режим своего насыщения, запирающее смещение через диод Д) и насыщенный дроссель прикладывается между базой и эмиттером открытого транзистора Т^. Он закрывается, н схема возвращается в исходное состояние. В дальнейщем процессы переключения транзисторов и смены полярности выходного напряжения автогенератора периодически повторяются.

Схема автогенератора с ненасыщающимся силовым трансформатором, изображенная на рис. 8-10, г, представляет собой полумостовой аналог предыдущей схемы и отличается от последней только тем, что насыщающийся дроссель ДН здесь выполнен двухобмоточным. Принцип действия обеих схем полностью идентичен.

Для всех рассмотренных выше схем автогенераторов с ненасыщающимся силовым трансформатором переключение силовых транзисторов начинается не с увеличения тока в коллекторах открытых транзисторов (как это имело место для автогенераторов с насыщающимся силовым трансформатором), а с уменьшения их базовых токов. Благодаря этому в таких устройствах коммутационные перегрузки силовых транзисторов отсутствуют. Более подробные сведения о характере коммутационных процессов в рассматриваемых автогенераторах, о расчете параметров, характеризующих качество этих процессов, и об особенностях работы таких устройств при высоких частотах читатель найдет в литературе, посвященной транзисторным преобразователям иапряжения, например в [6].

Частота переключения транзисторов в автогенераторах с ие-насышрющимся силовым трансформатором определяется параметрами насыщающегося трансформатора Ург (рис. 8-10, а, б) нли насыщающегося дросселя ДН (рнс. 8-10, в, г) и может быть вычислена по формуле (8-16) при условии, что входящие в нее параметры относятся соответственно к Т'рг или ДН, а под t/ понимается напряжение, приложенное к их обмоткам.

В современных ИВЭ радиоэлектронной аппаратуры транзисторные автогенераторы с ненасыщающимся силовым трансформатором получили широкое практическое применение в качестве маломощных высокочастотных инверторов. Такие автогенераторы целесообразно использовать для питания нагрузки мощностью -до 10-20 Вт при частотах преобразования до 20-50 кГц.

По сравнению с рассмотренными в предыдущем параграфе автогенераторами с насыщающимся силовым трансформатором данные устройства отличаются меньшими потерями мощности -в силовых транзисторах, их лучшим использованием по току, меньшей 154

длительностью фронтов переменного напряжения, более высоким К.П.Д. Однако в отличие от первых такие автогенераторы оказываются более сложными и критичными к разбросу параметров их элементов. Последний приводит к неодинаковой длительности обоих рабочих полупериодов и как следствие этого к подмагничиванию силового трансформатора постоянным током.

Такое подмагничивание способно привести к одностороннему насыщению силового трансформатора и несимметричному режиму работы транзисторов в каждом из рабочих полупериодов. В качестве иллюстрации -такого режима на рис. в-П приведены осциллограммы токов через транзисторы автогенератора с неиасыщающимся силовым трансформатором, когда , последний .выполнен на магнито- Рис. 8-11. Несимметричный режим проводе из магнитного материа- работы силовых транзисторов ав-ла с прямоугольной петлей на- тогенератора, обусловленный подмагничивания. В этом случае в магничиванием его силового коллекторе одного из транзи- трансформатора, сторов наблюдается значительный коммутационный ток, что приводит к ухудшению использования транзисторов по току коллектора.

Необходимость уменьшения коммутационных перегрузок транзисторов при наличии подмагничивания силового трансформатора требует применения в трансформаторе магнитных материалов с непрямоугольной петлей намагничивания. Последние, как известно, обладают меньшей критичностью к действию подмагннчивающего тока, поэтому за счет .соответствующего уменьшения рабочей индукции удается обеспечить нормальную работу аьтогеиераторов с неиасыщающимся силовым трансформатором при наличии достаточно большого разброса параметров элементов их схем.

Автогенераторы, схемы которых приведены на рнс. 8-10, б, е, получили в технике электропитания радиоэлектронной аппаратуры несколько меньшее практическое распространение. Их иногда используют в качестве маломощных задающих генераторов, управляющих работой мощных преобразовательных каскадов.

Колебательный контур LC-типа, включенный в цепь баз обоих транзисторов автогенератора (см. рис. 8-10,6), обеспечивает поочередное изменение полярности тока в резисторе Ri и поочередную коммутацию транзисторов 7 , и T-i. Силовой трансформатор Тр при этом остается ненасыщенным.

В автогенераторе с времязадающей /?С-цепочкой (см. рис. 8-10, е) переключение транзисторов начинается в момент, когда напряжение на конденсаторе С перезаряжаемом от вспомогательной обмотки Шв силового трансформатора через резистор Ra, превысит сумму напряжений на базовых обмотках Шу этого трансформатора. При этом к переходу база-эмиттер ранее закрытого транзистора прикладывается отпирающее смещение и в схеме начинается регенеративный процесс, сопровождающийся сменой полярности выходного напряжения.

Для автогенератора с LC-контурбм (см. рис. 8-10,6) частота преобразования определяется параметрами элементов этого контура

1 -./Jl

где L - индуктивность линейного дросселя Др.

Для автогенератора с /?С-цепочкой (см. рнс. 8-10, е) частота преобразования может быть вычислена по формуле f l/2/?8C,. Она справедлива [13], когда напряжение на вспомогательной обмотке Шв в 2,3 раза превышает напряжение на базовой обмотке обратной

связи Wy.

8-4. Инверторы с независимым возбуждением

Как было отмечено выше, инверторы с независимым возбуждением состоят из двух функциональных узлов: силового каскада (усилителя мощности) н маломощного задающего генератора, который управляет работой силовых транзисторов в усилителе мощности (см. рис. 8-1). В качестве задающего генератора в таких

Рис. 8 12. Схемы простейших инверторов с независимым возбуждением. 156

инверторах принципиально может быть использован любой из рассмотренных ранее транзисторных автогенераторов .

На рис. 8-12 для примера приведены схемы .транзисторных инверторов с независимым возбуждением, в которых задающий генератор выполнен по схеме на рис. 8-9, а, а усилитель мощности - по схемам на рис. 8-2 и 8-3. Отметим, что усилитель мощности в инверторе с независимым возбуждением принципиально может быть выполнен по любой нз схем, изображенных на рис. 8-2-8-4. lenac

. На рис. 8-13 приведены временные диаграммы токов н напряжений, характеризующие процессы коммутации транзисторов в усилителе мощности инвертора, схема которого изображена на рис. 8-12,а. Пусть в момент U начинается открывание транзистора Т^, вызванное переключением транзисторов в автогенераторе. В этот момент состояние задающего генератора следующее: транзистор Ту открыт, Т^. закрыт, а напряжения на обмотках трансформатора Тр\ имеют полярность, указанную на рис. 8-12,а.

В исходном состоянии между базой и эмиттером силового транзистора в усилителе

мощности приложено отпирающее смещение, а между базой и эмиттером транзистора Гз - запирающее. Ранее открытый силовой транзистор Гз мгновенно не может закрыться в силу своей инерционности. Нарастание тока в коллекторе Т4 при открытом транзисторе Гз эквивалентно увеличению нагрузки силового каскада и приводит к соответствующему увеличению тока закрываемого транзистора Гз. При скачкообразном изменении' токов баз токи коллекторов обоих тран-

Рис. 8-13. Осциллограммы токов н напряжений в усилите- лях мощности (см. рис. 8-12, о) для интервала коммутации транзисторов.

зисторов будут изменяться в соответствии с выражениями;

(8-17) (8-18)

В момент <2 (рис. 8-13) ранее открытый транзистор Гд выходит

К4 = нас (l - j

из режима насыщения и его коллекторный ток начинает умень-щаться по следующему закону;

КЗ = *21ЭЗ Бнас

2е \ -\

(8-19)

где рае.* - длительность этапа рассасывания избыточных носителей заряда в базе закрываемого транзистора.

Время рассасывания, входящее в выражение (8-19), зависит от коэффициентов передачи тока обоих транзисторов и от их частотных свойств:

21ЭЗ + 21Э4

После выхода Т'з из режима насыщения оба силовых транзистора усилителя мощности оказываются в режиме активного усиления; при этом происходит формирование фронтов -переменного напряжения. Длительность этого этапа равна:

21ЭЗ + 1Э4 + к/Бнас /ф = Т,1п-----i--. (8-21)

2193 Г 21Э4 ~ К' Б нас

В момент <4 (рис. 8-13) напряжение на первичной обмотке силового трансформатора щ достигает значения - U . При этом транзистор Ti оказывается в режиме насыщения и его коллекторный ток начинает уменьщаться по тому же закону, что и ток закрываемого транзистора Тз. В момент <5 коммутационные процессы в усилителе мощности заканчиваются.

Амплитудные значения токов в коллекторных цепях закрываемого и открываемого транзисторов усилителя мощности могут быть вычислены в соответствии с формулами^

/ -h Г 1Э4+2 4 Бнао

КиЗмакс-г21ЭЗ Бнас 2/82,33 + 2134

/ -и , 2193+У^Б нас

Ки4мако- 21Э4 Бнас 2/82,33 + 2134 *

Аналогичный характер имеют коммутационные процессы в мостовых усилителях мощности.

Из выражений (8-22) и (8-23) следует, что тростейщие схемы усилителей мощности, выполненные на транзисторах, работающих в режиме переключений, обладают существенным недостатком, обусловленным инерционностью силовых транзисторов. В момент смены полярности тактовых импульсов на выходе задающего генератора все силовые транзисторы кратковременно проводят ток из-за наличия эффекта рассасывания избыточных зарядов в областях баз закрываемых транзисторов. При этом в схеме устанавливается так называемый режим сквозных токов, и токи -через транзисторы могут достигать большого значения.

На рис. 8-14 приведены экспериментальные осциллограммы

Рис. 8-14. Экспериментальные осциллограммы тока коллектора силового транзистора высокочастотного усилителя мощности и его напряжения коллектор-эм иттер.

т

3,ZA t

тока коллектора силового дрейфового транзистора в инверторе с независимым возбуждением, снятые при напряжении питания инвертора 20 В. нас ~ * б нас - О, I А и частоте преобразования 200 кГц.

Для защиты силовых транзисторов усилителя мощности от перегрузок в цепь базы каждого из них могут вкллчаться линейный (рис. 8-15) или нелинейный (рис. 8-16) дроссели, которые замедляют процесс открывания транзистора или задерживают его начало.

На рис. 8-17 приведены усовершенствованные С':змы усилителей

Задающий генератор

Рис. 8-15. Вклк чение в цепь базы силового транзистора линейного др1-;Ч'еля для уменьшения его игрегрузки по току.

. Задающий генератор

Рис. 8-16. Включение в цепь базы силового транзистора нелинейного дросселя.

мощности [I]. в этих схемах наряду с внешним возбуждением от задающего генератора введены дополнительные трансформаторные связи, исключающие режим сквозных токов. Открывание очередных транзисторов в таком усилителе за счет введенных связей не может произойти раньше, чем окончится процесс рассасывания избыточных носителей в областях баз закрываемых транзисторов.

гКН

4>h

Задающий генератор

Выход О О

Задающий генератор

Рис. 8-17, Схемы усовершенствованных усилителей мощности.

Пусть, например, в исходном состоянии силового каскада (рис. 8-17, а) открыт транзистор 7 i и закрыт транзистор Гг. При этом на обмотках силового трансформатора появляются напряжения, полярности которых указаны на рис. 8-17, а. Напряжение

запирающей полярности с обмотки дополнительной обратной связи через диод Дг прикладывается между базой и эмиттером закрытого транзистора (диод Дх закрыт). При смене полярности напряжения иа выходе задающего генератора между базой и эмиттером ранее открытого транзистора J\ прикладывается запирающее смещение i/ar. Такое же напряжение в отпирающей полярности прикладывается ко входу ранее закрытого транзистора Т^- Однако, несмотря на наличие такого напряжения, транзистор открываться не будет до тех пор, пока транзистор Тх не выйдет нз режима насыщения н напряжение на обмотках обратной связи не уменьшится до такого значения, при котором произойдет закрывание диода Дг- Только после этого начнется открывание транзистора Т^г

Аналогичный характер имеют процессы переключения транзисторов в схеме усилителя мощности, изображенной на рис. 8-17,6.

Как и рассмотренные выше автогенераторы с ненасыщающимся силовым трансформатором, инверторы с независимым возбуждением характеризуются критичностью к разбросу параметров элементов их схем. Этот разброс и в случае инверторов данного типа приводит к режиму несимметричного перемагничивания силового трансформатора и возможности появления перегрузок по току части силовых транзисторов (см. рис. 8-11). В инверторах с независимым возбуждением для борьбы с такими перегрузками силовых тран-

зисторов наряду с подбором идентичных пар элементов и использованием в магнитопроБодах силовых трансформаторов ферромагнитных материалов с непрямоугольной петлей намагничивания применяют также различные методы искусственного си141метрироБания режима перемагничивания магнитопровода силового трансформатора.

В качестве примера на рис. 8-18 приведена одна из таких схем инверторов с независимым возбуждением [27]. Инвертор состоит из задающего генератора, выполненного на транзисторах Т^, Тв и трансформаторе Трч, и выходного усилителя мощности на составных транзисторах Ti-T и Т.-Т^. В эмиттеры последних включены

Рис. 8-18. Инвертор с независимым возбуждением и искусственным симметрированием режима перемагничивания сердечника силового трансформатора.

резисторы Rl и R2 по 0,1 Ом, которые служат датчиками токов. Снимаемые с них напряжения, пропорциональные токам в эмиттерах силовых транзисторов, через резисторы /?з и Ri подаются на входы интегрирующего усилителя Ух.

Напряжение на выходе усилителя пропорционально по значению и знаку разности между токами, протекающими через обе половины первичной обмотки силового трансформатора Трх в обоих рабочих полупериодах. Когда эти токи одинаковы и имеет место режим симметричного перемагничивания магнитопровода силового трансформатора, выходное напряжение интегрирующего усилителя равно нулю и дополнительные транзисторы и закрыты. При этом токи, протекающие через транзисторы Г5 и Ге, и падения напряжения на резисторах R и Rxx в их коллекторных цепях одинаковы.

При появлении режима несимметричного перемагничивания магнитопровода силового трансформатора резисторы Rx и R2 выделяют сигнал, пропорциональный несимметрии. На выходе интегрирующего усилителя появляется напряжение, которое открыва-

1 ... 12 13 14 15 16 17 18 ... 22