Двухтактный инвертор, построенный по базе эмиттерного повторителя мощности, представляет собой двухтактный импульсный источник тока, с малым весом и небольшими габаритами. Используется для зарядки аккумуляторов при стабильном напряжении. Максимального ток, установленный в начале заряда, снижается к концу до состояния буферного подзаряда - это близко по характеристике к зарядке аккумуляторов в автомобилях.
В источнике тока применены радиокомпоненты устаревших блоков питания компьютеров и мониторов.
Основные функциональные части схемы зарядного устройства:
1. Входные цепи защиты от перегрузок и замыканий.
2. Сетевой помехоподавляющий двухзвенный фильтр.
3. Сетевой выпрямитель.
3. Сглаживающий фильтр высокого напряжения.
4. Силовой инвертор на базе эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах.
5. Цепи передачи и формирования сигнала обратной связи стабилизации по напряжению.
6. Генератор импульсов прямоугольной формы.
7. Регулятор выходного тока.
8. Выпрямитель вторичного напряжения.
9. Цепи защиты и индикации нагрузки.
В схеме двухтактного инвертора происходит тройное преобразование напряжения: переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается до постоянного тока, далее преобразуется в импульсное, с частотой до нескольких десятков килогерц, трансформируется в низковольтную цепь и выпрямляется. Напряжение вторичной цепи используется для зарядки аккумуляторов.
Цепь отрицательной обратной связи позволяет заряжать аккумуляторы или питать нагрузку стабилизированным напряжением.
Двухтактная схема инвертора содержит транзисторы, пониженной по сравнению с обратноходовой схемой, мощностью и напряжением.
Цепи обратной связи на оптопаре и импульсный трансформатор гальванически разделяют высокое сетевое напряжение инвертора от низковольтных цепей.
Низковольтный узел оснащен мощными лавинными диодами в сборке, индикацией низкого напряжения и тока нагрузки.
Стабилизация выходного напряжения выполнена введением в схему цепи отрицательной обратной связи по напряжению, а повышение температуры транзисторов от перегрева контролируется терморезистором.
Основные технические характеристики:
Напряжение питания. В - 165...240
Выходное напряжение. В - 12...16
Выходной ток нагрузки. А - 10
Частота преобразования, кГц - 22...47
Схема
Входной помехоподавляющий фильтр состоит из двухобмоточного дросселя Т2 (рис. 1) и конденсаторов С13, С14, которые позволяют снизить помехи преобразователя в сеть и устранить возможность проникновения импульсных помех из сети питания.
Сетевое напряжение с фильтра поступает на выпрямитель VD7 через предохранитель FU1 и выключатель сети SA1.
Сетевой выпрямитель дополнен сглаживающим фильтром из конденсаторов большой емкости С8, С9, шунтированных резисторами R12, R13 для выравнивания напряжений. Терморезистор RK2 ограничивает ток заряда конденсаторов при подаче сетевого напряжения.
Высокочастотный трансформаторЛ инвертора одним выводом подключен к средней точке соединения конденсаторов С8, С9, а вторым - к точке соединения транзисторов двухтактного преобразователя, через разделительный конденсатор С7.
Ввод резистора R15 в колебательный контур снижает добротность обмотки трансформатора и ускоряет затухание колебательного процесса.
Транзисторы VT2, VT3 зашунтированы быстродействующими диодами VD4, VD5 от пробоя обратными токами.
Разделительный конденсатор С7 устраняет подмаг-ничивание магнитопровода трансформатора Т1 инвертора, при разбросе параметров конденсаторов С7, С8 и неверной установке половины питающего напряжения в средней точке соединения транзисторов VT2, VT3.
Ввиду низкого коэффициента передачи мощных транзисторов инвертора в схему добавлен биполярный транзистор VT1.
Установка половины напряжения источника питания в точке соединения транзисторов VT2, VT3 выполняется подбором номинала сопротивления резистора R8.
Диод VD3 ускоряет переключение эмиттерного повторителя на транзисторах VT1, VT2.
Нагрузкой эмиттерного повторителя является транзистор VT3, работающий в статическом режиме с заземленной, по переменному току, базой. По постоянному току на базу транзистора VT3, через резистор R8, подано небольшое смещение для создания напряжения на коллекторе, близкого к половине питающего напряжения.
Задающий генератор выполнен на аналоговом таймере DA1.
Микросхема содержит: два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов; RC-триггер; выходной усилитель и ключевой транзистор для разряда внешнего время-зарядного конденсатора С1.
С вывода 3 генератора микросхемы DA1 снимаются импульсы прямоугольной формы. При высоком уровне на выходе 3 DA1 импульс через интегральную RC-цепь R5, С4 поступает на базу транзистора VT1 составного эмиттерного повторителя, транзистор открывается и открывает мощный биполярный транзистор VT2. Конденсатор С7 заряжается от положительной шины источника питания. В первичной цепи трансформатора Т1 возникнет импульс тока. По окончанию положительного импульса с вывода 3 микросхемы DA1 внутренним триггером вывод 7 DA1 переключается в проводящее состояние относительно минуса питания микросхемы DA1, база транзистора VT1 замыкается на минус питания микросхемы, конденсатор С4 также ускоренно разряжается. Транзисторы эмиттерного повторителя закрываются и конденсатор С7 разряжается через открытый транзистор VT3.
Для правильного согласования импульсов генератора на переход база-эмиттер повторителя VT1, VT2 инвертора, питание генератора выполнено от положительной шины высоковольтного источника питания через ограничивающий напряжение резистор R10, со стабилизацией стабилитроном VD2. Минус питания микросхемы взят со средней точки соединения транзисторов VT2, VT3. С приходом последующего импульса с генератора на вход эмиттерного повторителя, транзисторы VT1, VT2 открываются и процесс повторяется.
Непрерывная последовательность импульсов в первичной обмотке высокочастотного трансформатора Т1 активирует появление высокочастотного напряжения во вторичной обмотке трансформатора и тока на нагрузке ХТЗ, ХТ4.
Выводы 2 и 6 входа компараторов микросхемы DA1 переключают внутренний триггер в зависимости от уровня напряжения на конденсаторе С1, время заряда которого зависит от номиналов RC-цепи R1, R2, С1.
Вывод 5 DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы.
Конструктивное использование данного вывода в цепи отрицательной обратной связи позволяет реализовать стабилизацию выходного напряжения.
Напряжение с нагрузки через терморезистор RK1 поступает на установочный переменный резистор R14, которым регулируется напряжение на нагрузке. При повышении напряжения на зажимах ХТЗ, ХТ4 усилитель на параллельном стабилизаторе DA2 увеличивает яркость светодиода оптопары U1, транзистор оптопары открывается и снижает напряжение на выводе 5 DA1. Частота генератора возрастает. Длительность выходных импульсов сокращается, что приводит к снижению напряжения на нагрузке.
Параллельный стабилизатор DA2 служит в качестве усилителя сигнала рассогласования уровня напряжения на нагрузке и работает в линейном режиме. Установка в этой цепи транзисторного усилителя нежелательна из-за разброса параметров и существенного воздействия внешней температуры.
Повышение температуры ключевых транзисторов VT2, VT3 инвертора приведет к понижению сопротивления терморезистора RK1 и к снижению скважности импульсов и мощности в нагрузке.
Питание микросхемы DA1 выполнено от высокого напряжения инвертора через ограничитель напряжения на резисторе R10 и стабилизировано диодом VD2.
Выпрямитель вторичной цепи выполнен на мощной паре лавинных диодов VD6, собранных в сборку, индикация полярности наличия вторичного напряжения индицируется светодиодом HL1. Конденсатор СЮ сглаживает пульсации напряжения в низковольтных цепях.
Печатная плата, детали
Печатная плата электронной схемы состоит из двух частей (рис. 2 и рис. 3), соединенных проводниками.
Таймер DA1 с пониженным энергопотреблением серии 7555 заменим на серию 555 с микромощным энергопотреблением.
Сетевой диодный мост VD7 на напряжение не ниже 400 В и ток более 3 А, низковольтный выпрямитель
VD6 на напряжение не ниже 50 В и ток не менее 20 А заменим на сборку S40D45C от компьютерных блоков питания.
Транзисторы VT2.VT3 подойдут на напряжение не ниже 300 В и ток более 3 А - типа 2SC2555, 2625, 3036, 3306, 13009 с установкой на радиатор с изолирующими прокладками.
Алюминиевые оксидные конденсаторы фирм “Nicon” или REC.
Оптроны - из серии LTV817, РС816.
Трансформатор Т1 применен без перемотки от блока АТ/ТХ питания компьютера. Обмотка 1Т1 составляет 38 витков провода диаметром 0,8 мм, вторичная -имеет две обмотки по 7,5 витков каждая, сечением 4*0,31 мм в жгуте.
Трансформатор Т2 - двухобмоточный сетевой дроссель фильтра.
Катушка L1 - дроссель фильтра, 10 витков провода диаметром 1 мм на ферритовом кольце 20 мм.
Наладка
Регулировка схемы заключается в проверке режимов питания. Резистором R8 установить на эмиттере VT3 напряжение равное половине напряжения источника питания - около 150 В.
Питать схему инвертора во время испытаний необходимо через переходной трансформатор 220/220 В * 100 Вт, для устранения возможных электротравм.
Перед запуском в цепь сетевого питания вместо предохранителя FU1 подключается лампочка 220 В * 100 Вт, вместо нагрузки подключить автомобильную лампочку на 12-24 В * 50 свечей.
Повышенная яркость сетевой лампочки и отсутствие свечения лампочки в нагрузке указывают на неисправности в схеме.
При слабом свечении сетевой лампочки и ярком свечении лампочки нагрузки, с наличием регулировки яркости, подтверждается рабочее состояние схемы.
После непродолжительной работы схему отключить от сети и проверить радиокомпоненты на нагрев.
При наладке и испытании устройства следует соблюдать Правила техники безопасности.
Рисунки печатной платы в формате lay6 (файл The-push-pull-inverter.zip) вы можете загрузить с нашего сайта: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера
Владимир Коновалов, Александр Вантеев
г. Иркутск-43, а/я 380
Литература
1. Илья Липавский. Гибридный усилитель мощности на базе повторителя Andrea Ciuffoli. - РадиоХобби, №2, 2009, с. 49.
2. . - Солон-Пресс, г. Москва, 2003, с. 108-142.
3. В. Коновалов. Методические разработки и статьи. - Иркутск, 2009.
Скачать: Двухтактный инвертор на базе эмиттерного повторителя мощности
В случае обнаружения "битых" ссылок -
Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.
Другие новости
В автономной переносной и передвижной радиоаппаратуре, потребляющей сравнительно небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются работающие независимо от внешней сети источники постоянного тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Иногда для функционирования радиоаппаратуры возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.
В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются MOS FET и IGBT транзисторы и тиристоры. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора, соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение U вых, которое может существенно отличаться от напряжения на входе U BX ,, т.е. конвертор - это своеобразный трансформатор постоянного напряжения.
При высоком значении питающего напряжения, а также при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.
По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой импульсные автогенераторы. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.
1. Преобразователи с самовозбуждением
Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они нашли применение как маломощные автономные источники, электропитания и как задающие генераторы мощных преобразователей, Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением
На вход преобразователя подается постоянное питающее напряжение U BX . В автогенераторе постоянное напряжение преобразуется в напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов.
Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя, после которого на выходе преобразователя (конвертора) получим требуемое по величине и напряжение постоянного тока U вых . При прямоугольной форме импульсов выпрямленное напряжение по форме близко к постоянному, вследствие чего упрощается сглаживающий фильтр выпрямителя.
2. Однотактный преобразователь напряжения.
В основе работы схемы (рис. 2), как и большинства преобразователей, лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме.
Рис. 2. Однотактный полупроводниковый преобразователь
напряжения с самовозбуждением
В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора ω к, в эмиттерно-базовую цепь - обмотка обратной связи ω б. Поскольку обмотки ω к и ω б размещаются на одном магнитопроводе, то существующая между ними магнитная связь и порядок подключения концов обмоток обеспечивают в итоге положительную обратную связь в автогенераторе.
При подключении источника постоянного тока U BX в цепи коллектора транзистора VT и в обмотке ω к начинает: протекать ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот поток, воздействуя на обмотку обратной связи ω б, наводит в ней ЭДС самоиндукции, причем обмотка ω б включается, относительно обмотки ω к таким образом, чтобы ЭДС, наведенная в ней, еще больше открыла транзистор (для р-п-р транзистора на базе относительно эмиттера создается дополнительное отрицательное напряжение). Когда магнитный поток достигнет насыщения, исчезнут ЭДС и токи в обмотках, появится противо-ЭДС, запирающая транзистор, и процесс начнется сначала. Необходимо отметить, что при открытом транзисторе VT вследствие небольшого значения его внутреннего сопротивления весьма небольшим будет падение напряжения на нем, даже при токе, равном току насыщения. Поэтому в этом случае практически все входное напряжение U BX приложено к первичной коллекторной обмотке трансформатора ω к.
В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора ω к потечет ток, импульсы которого будут иметь почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку трансформатора ω вых трансформируются импульсы той же формы, частоты следования и полярности; эти импульсы используются для получения выпрямленного напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Резистор R Р Б в базе транзистора ограничивает ток базы.
Преобразователи описанного типа целесообразно применять при высоком значении выходного напряжения U B Ы X и малых токах, в частности, для питания высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках. Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание магнитопровода, обусловленное тем, что ток по коллекторной (первичной) обмотке трансформатора течет только в одном направлении, Постоянное подмагничивание ухудшает условия передачи мощности из первичной обмотки трансформатора во вторичную, и поэтому однотактные автогенераторы используют при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.
0Двухтактные преобразователи могут быть с самовозбуждением и с независимым возбуждением. В настоящее время в основном применяют преобразователи с независимым возбуждением, имеющие более высокий КПД. На практике применяют три основных схемы двухтактных преобразователей: с выводом нейтральной точки первичной обмотки трансформатора (со средней точкой), полумостовые и мостовые. Трансформатор, входящий в состав преобразователя имеет две идентичные первичные обмотки с числом витков W 11 = W 12 = W 1 и две идентичные вторичные обмотки с числом витков W 21 = W 22 = W 2 .
Рассмотрим установившийся режим работы идеального преобразователя в случае безразрывных токов дросселя L при широтно-импульсном управлении транзисторами VT1 и VT2. При переводе СУ транзистора VT1 в режим насыщения к первичной обмотке W 11 трансформатора будет приложено напряжение источника энергии U 0 .
В результате на зажимах вторичной обмотки W 21 появится ЭДС Е 2 с полярностью, обеспечивающей открытие диода VD1. При этом на интервале открытого состояния VT1 все остальные диоды и транзистор VТ2 будут закрыты.
Поскольку ЭДС Е 2 = U 0 n 21 = U 0 W 2 /W 1 , то к обмотке дросселя L будет приложено напряжение, равное U 0 n 21 - U н. Под действием этого напряжения ток в обмотке дросселя L будет нарастать до линейному закону от минимального до максимального значения, соответствующего моменту времени t = γТ, когда СУ переведет транзистор VT1 в закрытое состояние.
На этом временном интервале осуществляется передача энергии в нагрузку, накопление энергии в дросселе L и подзаряд конденсатора С1. При этом напряжение, приложенное к закрытому транзистору VT2, оказывается равным 2U 0 . При запирании транзистора VT1 меняется полярность ЭДС на зажимах всех обмоток трансформатора, что приводит к запиранию диода VD1 и открыванию диода VD3. В результате к обмотке дросселя будет приложено напряжение, равное напряжению на нагрузке, и он будет отдавать ранее запасенную энергию в нагрузку и конденсатор С1 (пока ток дросселя будет больше тока нагрузки). При этом напряжение, приложенное к закрытым транзисторам VT1 и VT2, оказывается равным напряжению источника энергии U 0 , так как трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания (при отключенной первичной обмотки от источника энергии).
В момент t/T = 0,5 СУ переводит транзистор VT2 в открытое состояние, в результате чего первичная обмотка W 12 трансформатора (находящегося в режиме короткого замыкания) подключается к источнику энергии. Это приводит к резкому увеличению тока в обмотках W 22 и W 12 трансформатора. В момент, когда ток в обмотке W 22 достигает значения тока дросселя L, начинается процесс запирания диода VD3. На интервале 0,5Т ≤ t ≤ (0 5 + γ)Т транзистор УТ2 открыт и находится в режиме насыщения, а ток дросселя опять нарастает от минимального до максимального значения.
Регулировочная характеристика данного преобразователя имеет следующий вид: U H = 2n 21 γU 0 .
Как видно из выражения, регулировочная характеристика данного преобразователя отличается от регулировочной характеристики однотактного преобразователя с прямым включением диода только множителем 2. Однако в последнем случае требуется два отдельных трансформатора, расчетная мощность каждого из которых в два раза меньше мощности трансформатора двухтактного преобразователя. Кроме того, следует помнить, что перемагничивание материала магнитопровода в однотактных преобразователях с прямым включением диода осуществляется по частному несимметричному циклу перемагничивания, тогда как в данном идеальном преобразователе перемагничивание осуществляется по частному симметричному циклу. Поэтому размеры трансформатора в двухтактном преобразователе будут меньшими по сравнению с размерами двух трансформаторов однотактных преобразователей.
Выражение для критического значения индуктивности L кp дросселя L, обеспечивающей безразрывность тока дросселя при минимальном значении тока нагрузки J н min принимает для двухтактного преобразователя (или двух однотактных, работающих на общий фильтр) следующий вид:
Разница в работе будет заключаться в только том, что на интервалах закрытого состояния транзисторов оба диода на выходе преобразователя (VD1, VD2) будут открыты и через каждый из них будет замыкаться ток, равный половине тока дросселя. Например, широко применяемые в системах электропитания аппаратуры телекоммуникаций вольтодобавочные (стабилизирующие) преобразователи КВ-12/100 (КС-14/100) представляют собой рассматриваемый двухтактный преобразователь в варианте без диода VD3.
В реальных двухтактных преобразователях, работающих на частотах 20 кГц и выше, неодинаковое значение времени рассасывания избыточных носителей в транзисторах при их запирании приводит к тому, что приращение магнитного потока в трансформаторе на интервале открытого состояния одного транзистора отличается от приращения магнитного потока на интервале открытого состояния другого транзистора. В результате в двухтактных преобразователях может появиться так называемое одностороннее подмагничивание материла магнитопровода трансформатора. И, как результат, насыщение материала магнитопровода и короткое замыкание для источника энергии, приводящее к выходу из строя транзисторов. Другой причиной появления одностороннего подмагничивания является электрическая несимметрия схемы, возникающая, как правило, при низких уровнях выходного напряжения. Для того чтобы исключить явление одностороннего подмагничивания, приходится прибегать к существенному усложнению схемы управления в двухтактных преобразователях по сравнению с однотактными. С этой целью в схему управления вводится, например, устройство, следящее за средним значением токов транзисторов и при их разбалансировке обеспечивающее автоматическую коррекцию длительности включенного состояния транзисторов.
Рассмотренный преобразователь на практике применяется при относительно невысоких напряжениях источника энергии, так как напряжение, приложенное к закрытому транзистору, оказывается в два раза больше напряжения источника энергии. При высоком значении напряжения U 0 (в несколько сотен вольт) широко применяются полумостовые и мостовые схемы двухтактных преобразователей.
В полумостовом преобразователе параллельно источнику энергии с напряжением U 0 устанавливаются два последовательно соединенных между собой конденсатора с одинаковой емкостью. Первичная обмотка трансформатора TV1 включается между общей точкой этих конденсаторов и общей точкой транзисторов VT1 и VT2.
В идеальном преобразователе среднее значение напряжения на каждом из конденсаторов равно половине напряжения U 0 . При переводе СУ, например, транзистора VT1 в режим насыщения напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора TV1, будет равно напряжению на конденсаторе С1. В результате ЭДС Е 2 на зажимах вторичной обмотки VT1 будет равна U 0 n 21 /2. При этом будут открыты диоды VD3 и VD6. Напряжение, приложенное к закрытому транзистору VT2, равное сумме напряжения на конденсаторе С2 и ЭДС первичной обмотки TV1, будет равно напряжению U 0 . Для того чтобы исключить интервалы, на которых оба транзистора открыты одновременно, длительности открытого состояния VT1 и VT2 должны быть меньше половины периода преобразования энергии. На интервалах открытого состояния VT1 (VT2) осуществляется передача энергии а нагрузку и ее накопление в дросселе L1 и конденсаторе С3. Кривые тока коллектора транзисторов, тока дросселя L1, напряжения на входе фильтра L1 С3 и напряжения на нагрузке по форме полностью совпадают с соответствующими кривыми. На интервалах выключенного состояния транзисторов открыты все четыре диода выходного выпрямителя и через каждый из них протекает ток, равный половине тока дросселя, при этом напряжение приложенное к закрытым транзисторам равно U 0 /2. Регулировочная характеристика полумостового преобразователя (при его работе в режиме безразрывных токов дросселя L1) имеет следующий вид: U H = γU 0 n 21 .
Выражение для критического значения индуктивности L кp дросселя L, обеспечивающей безразрывность тока дросселя при минимальном значении тока нагрузки I н min принимает для полумостового преобразователя следующий вид:
Полумостовые преобразователи обычно применяются при выходной мощности до нескольких сотен ватт, так как с увеличением выходной мощности резко увеличиваются габаритные размеры конденсаторов C1, С2. Кроме того, при прочих равных условиях ток коллектора транзисторов в полумостовых преобразователях в два раза больше, чем в мостовых преобразователях, что приводит к большим потерям в них и к увеличению габаритов радиаторов охлаждения транзисторов.
В мостовом преобразователе при классическом, так называемом симметричном способе управления транзисторами СУ обеспечивает синхронную коммутацию диагональных транзисторов (VT1 и VT4 на интервале первой половины периода, а затем VT2 и VT3 на интервале второй половины периода преобразования энергии). При этом на интервале открытого состояния любой пары диагональных транзисторов напряжение, приложенное к первичной обмотке TV1 и к каждому из закрытых транзисторов в идеальном преобразователе равно напряжению источника энергии. В остальном работа мостового преобразователя при симметричном способе управления транзисторами подобна работе рассмотренных выше двухтактных преобразователей.
В интервале открыты диагональные транзисторы VT1 и VT4, в результате ток i 1 , равный сумме намагничивающего тока (тока холостого хода) трансформатора и тока дросселя: L1, приведенного к первичной обмoтке, втекает в начало первичной обмотки TV, открыт выходной диод VD5 и осуществляется передача энергии в нагрузку и ее накопление дросселями L1 и L. При этом напряжение на конденсаторах С2 и С3. равно напряжению U 0 . В момент t 1 схема управления выключает VT4, вследствии чего ток i 1 начинает замыкаться по цепи: первичная обмотка TV (в том же направлении) - конденсатор С3 - открытый транзистор VT1 - дроссель L. Начинается быстрый процесс перезаряда конденсатора С3 и заряд конденсатора С4. За время, меньшее t зад, напряжение на конденсаторе С3 уменьшается до нуля, а на конденсаторе С4 нарастает до U 0 . После того как напряжение на С3 снизилось до нуля, открывается диод VD3 и ток i 1 далее замыкается через этот диод, так что к моменту t 2 - моменту открытия VT3 - напряжение на нем равно практически нулю, т. е. отсутствуют потери мощности при его открытии. В интервале первичная обмотка TV и дроссель L оказываются закороченными диодом VD3 и транзистором VT1, так что ток в этой цепи практически не претерпевает изменений. В момент t 3 выключается транзистор VT1 и начинается быстрый перезаряд конденсатора С2 (и заряд конденсатора С1), так что за время, меньшее t зад, напряжение на C2 спадает до нуля, после чего открывается диод VD2. До момента t 4 - момента открытия транзистора VT2 - ток, поддерживаемый дросселем L, замыкается через диоды VD2, VD3 и источник энергии U 0 , т. е. энергия, запасенная этим дросселем, возвращается в источник. Включение VT2 также происходит без потерь мощности. На интервале открыты VT2 и УТ3, ток i 1 меняет свое направление, открыт выходной диод VD6 и энергия передается от источника в нагрузку, а также запасается дросселями. Далее процессы в схеме протекают аналогичным образом.
Для исключения явления одностороннего подмагничивания трансформатора в полумостовых и мостовых ПН последовательно с первичной обмоткой трансформатора достаточно часто включается конденсатор. Такое введение конденсатора имеет место, например, в ПН блоков питания ПК, в выпрямителях ВБВ-60/25-3к.
На выходе любого из рассмотренных двухтактных преобразователей выходной выпрямитель может быть выполнен либо по однофазной мостовой схеме, либо по двухполупериодной схеме выпрямления. Однофазная мостовая схема выпрямления обычно применяется только при относительно высоких уровнях выходного напряжения (несколько десятков вольт и выше), так как характеризуется большими потерями в вентильном комплекте по сравнению с двухполупериодной схемой.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2009. -
384 с.: ил.
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
Двухтактный преобразователь
Двухтактный преобразователь - преобразователь напряжения, использующий импульсный трансформатор . Коэффициент трансформации трансформатора может быть произвольным. Несмотря на то, что он фиксирован, во многих случаях может варьироваться ширина импульса, что расширяет доступный диапазон стабилизации напряжения. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота и возможность наращивания мощности .
Двухтактный преобразователь похож на обратноходовый преобразователь , однако основан на другом принципе (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).
Однофазный двухтактный преобразователь представляет собой двухтактный полномостовой генератор с трансформатором и выпрямитель с фильтром .
Принцип действия
Термин «двухтактный» иногда используется для описания любого преобразователя с двунаправленным возбуждением трансформатора. Например, в полномостовом преобразователе ключи, соединённые в Н-мост , изменяют полярность напряжения, подаваемого на первичную обмотку трансформатора. При этом трансформатор работает так, как будто он подключен к источнику переменного тока и производит напряжение на вторичной обмотке. Однако, чаще всего имеют в виду полумостовой преобразователь, нагруженный на первичную обмотку с отводом от середины.
В любом случае, напряжение вторичной обмотки затем выпрямляется и передаётся в нагрузку. На выходе источника питания часто включается конденсатор , фильтрующий шумы, неизбежно возникающие из-за работы источника в импульсном режиме.
На практике необходимо оставлять маленький свободный интервал между полупериодами. Ключами обычно является пара транзисторов (или подобных элементов), и если оба транзистора откроются одновременно, возникает риск короткого замыкания источника питания. Следовательно, необходима небольшая задержка, чтобы избежать этой проблемы.
Преимущества и недостатки
Транзисторы
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Двухтактный преобразователь" в других словарях:
- (Push–pull output) с использованием PNP и NPN биполярных транзисторов включенных как эмиттерные повторители Двухтактный выход схемотехническое решение электронного устройства, которое позволя … Википедия
Двухтактный выход (en:push pull output) является видом электронной цепи, которая может пропускать через нагрузку и положительный и отрицательный ток. Двухтактные выходы присутствуют в ТТЛ и КМОП цифровых логических схемах и в некоторых видах… … Википедия
Эквивалентная схема обратноходового преобразователя Обратноходовой преобразователь (англ. flyback converter) разновидность статических импульсных … Википедия
Импульсный стабилизатор напряжения это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в… … Википедия
Инверторы напряжения инвертором напряжения (по зарубежной терминологии DC/AC converter) называют устройство, преобразующие электрическую энергию источника напряжения постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Инверторы… … Википедия
Структура Н моста (показано красным) H мост это электронная схема, которая дает возможность приложить напряжение к нагрузке в разных направлениях. Эта схема очень часто используется в робототехнике и игрушечных машинах, чтобы изменять… … Википедия - Электронный усилитель усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное … Википедия
На рис. 5 представлена схема двухтактного транзисторного каскада усиления с трансформаторным входом и выходом.
Верхнее плечо усилителя образует транзистор VТ 1 и верхние полуобмотки трансформаторов ТV 1 и ТV 2, нижнее плечо включает в свой состав транзистор VТ 2, нижние полуобмотки трансформаторов ТV 1 и ТV 2. В идеальном случае оба плеча совершенно одинаковы и схема симметрична относительно горизонтальной оси, проходящей через средние точки трансформаторов.
Усилитель может работать как в режиме класса А , так и класса В . Для перевода каскада в режим В достаточно уменьшить напряжение смещения на R 2 (увеличить сопротивление R 1 и уменьшить R 2 , либо исключить цепи смещения) до величины обеспечивающей, угол отсечки 90 0 . Рассмотрим режим класса В .
Характеристика схемы . Двухтактный каскад усиления с трансформаторным входом и выходом, последовательного коллекторного питания, со смещением постоянным напряжением, создаваемым током делителя на резисторах R 1, R 2, собран на транзисторах типа n-p-n по схеме с ОЭ, работающих в режиме класса В .
Назначение элементов. Трансформатор ТV 1 предназначен для получения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжений, а также согласования сопротивлений источника сигнала с входным сопротивлением усилителя.
Трансформатор ТV 2 обеспечивает согласование сопротивлений нагрузки с выходным сопротивлением коллекторных цепей транзисторов.
Конденсатор С бл1 блокирует R 2 по переменному току, уменьшая потери переменной составляющей входного сигнала.
Делитель R 1 , R 2 обеспечивает требуемое положение НРТ на характеристиках транзисторов.
Принцип работы схемы. При отсутствии входного сигнала (U 1 =0) и включенном источнике питания протекает ток делителя. На резисторе R 2 создаётся напряжение смещения, величина которого обеспечивает положение НРТ в начале проходных статических характеристик транзисторов. Оба транзистора закрыты. Через трансформатор ТV2 ток не протекает и напряжение на выходе равно нулю. Таким образом, в статическом режиме постоянные токи через транзисторы не протекают, т.е. в режиме В ток покоя транзисторов практически равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания.
При подаче на вход схемы переменного напряжения, например, гармонического сигнала (U 1 ¹ 0) на вторичных обмотках трансформатора ТV1 образуются два вторичных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 180 0 (см. рис. 5). В результате один из транзисторов, например, верхний VT1 переходит в активный режим (открывается) и форма тока через него повторяет форму приложенного напряжения. Импульс тока через верхний трансформатор протекает по цепи: +Е k , верхняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е k . Он индуцирует по вторичной обмотке TV2 импульс тока, протекающий через нагрузку. И в то же время нижний транзистор находится в режиме отсечки и через нижнюю полуобмотку трансформатора ток не протекает.
При смене полярности входного напряжения состояние транзисторов изменяется на противоположное. В этом случае импульс тока под воздействием входного сигнала протекает в нижнем плече каскада по цепи: +Е k , нижняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е k . В результате во вторичной обмотке трансформатора ТV2 возбуждается ток обратного направления.
Таким образом, через нагрузку протекает ток, форма которого совпадает с формой управляющего напряжения (U 1). Временные диаграммы управляющего напряжения, токов через транзисторы, нагрузку и через источник питания приведены на рис. 6.
Как следует из рисунка ток, протекающий через транзисторы, представляет собой косинусоидальные импульсы с длительностью, равной половине периода управляющего напряжения. Транзисторы здесь работают строгопоочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой полупериод колебания (рис. 6). Во вторую половину периода он заперт и тока от источника питания не потребляет. В этот полупериод работает второй транзистор. Такой режим называют режимом класса В . Токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 можно представить в виде ряда Фурье:
Поскольку точки i k1 и i k2 обтекают половины обмоток ТV2 в противоположных направлениях, то результирующий магнитный поток, создаваемый ими, пропорционален их разности. Ток через нагрузку пропорционален магнитному потоку, следовательно, для тока в нагрузке можно записать
Ток в цепи питания усилителя равен сумме токов плеч:
Из полученных результатов следует:
1. Поскольку выходной ток содержит только нечётные гармоники , в двухтактном каскаде происходит компенсация чётных гармоник токов плеч в нагрузке . Это позволяет снизить уровень нелинейных искажений, используя экономичный режим В .
2. На выходе каскада будут компенсироваться все помехи , наводимые синфазно в плечах как от источника питания, так и от других источников. Это снижает чувствительность усилителя к пульсациям питающего напряжения, что позволяет упростить сглаживающие фильтры в цепях питания.
3. Разностный ток плеч не содержит постоянной составляющей тока , при этом отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет использовать данный трансформатор при более высоком уровне выходного сигнала или при заданной выходной мощности существенно снизить его габариты, массу, стоимость.
Поскольку токи через транзисторы протекают лишь в часть периода, а в остальное время транзистор закрыт, то уменьшается мощность рассеяния транзистора , что позволяет в двухтактной схеме усилителя применить транзистор, рассеивающий на порядок меньшую мощность, чем транзистор в однотактном каскаде, работающем в режиме класса А при той же полезной мощности. Расчёты показывают, что КПД в двухтактном каскаде может приблизиться к 78,6 %. Это достигается большим коэффициентом использования коллекторного напряжения и малой величиной постоянной составляющей тока коллектора (режим класса В ).
Форма частотных характеристик усилителя мощности определяется частотными свойствами трансформатора . Аналитические выражения для АЧХ совпадают с аналогичными выражениями для однотактного трансформаторного каскада.
Недостатки трансформаторного каскада :
· большие размеры, масса и стоимость;
· сравнительно узкая полоса рабочих частот;
· искажения и большие фазовые сдвиги на краях полосы пропускания, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой ООС, так как нарушается устойчивость;
· наличие трансформаторов обусловливает невозможность интегрального исполнения УМ. Существуют дополнительные потери полезной энергии в трансформаторах, их КПД обычно составляет 0,7 ¸ 0,9.
Кроме того, режим В хотя и обеспечивает высокий КПД, но вносит повышенные нелинейные искажения, обусловленные кривизной начального участка передаточной характеристики транзисторов I к (U бэ), вследствие чего совмещенная характеристика обоих транзисторов (рис. 7, а ), представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки в окрестности перехода через нуль.
Это вызывает так называемые центральные ступеньки на синусоиде разностного тока (рис. 7, б ), а значит, и выходного напряжения.
Для их устранения применяется режим АВ, в котором подается небольшое исходное смещение НРТ А1 и А2 транзисторов так, что они оказываются на середине начальных криволинейных участков передаточных характеристик (рис. 8, а ). Совмещая характеристики транзисторов по напряжению U бэ точками А1 и А2, видим, что характеристика разностного тока получается прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек не возникает (рис. 8, б ). В режиме АВ при малых токах работают оба плеча одновременно подобно режиму А и нелинейность характеристик плеч взаимно компенсируется.
В режиме АВ при малых амплитудах КПД оконечного каскада понижается (по сравнению с режимом В). Однако общий КПД всего усилителя понижается мало, так как ток покоя оконечных транзисторов обычно бывает меньше общего тока питания предварительных каскадов. Режим АВ для двухтактных каскадов является самым распространенным, поскольку обеспечивает высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.
Двухтактные бестрансформаторные каскады
Бестрансформаторные схемы получают всё большее применение. При их реализации легко осуществлять непосредственную связь между каскадами (без разделительных конденсаторов). Они имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко выполняются по интегральной технологии, т.к. не содержат громоздкие трансформаторы. Чаще всего бестрансформаторные усилители собирают по двухтактной схеме и работают они в основном в режиме АВ.
Название "бестрансформаторный каскад" в общем случае носит условный характер; дело в том, что, как правило, в усилителях применяются двух-трех элементные составные транзисторы в каждом плече. Поэтому плечо представляет собой двух-трехкаскадный усилитель.
На рис. 9 приведена одна из распространенных схем двухкаскадного бестрансформаторного усилителя мощности с параллельным управлением транзисторами оконечного двухтактного каскада (на VT 2 и VT 3) однофазным переменным напряжением.
Для исключения необходимости двух источников питания сопротивление нагрузки R н подключено через разделительный конденсатор C 2 к одному из полюсов источника E п. Это возможно потому, что через нагрузку протекает только переменный ток. Напряжение между выводами конденсатора C 2 почти постоянно и близко к E п /2. В режиме АВ, в полупериод когда транзистор VT 3 открывается, конденсатор С 2 в цепи нагрузки включается последовательно с источником Е п и их напряжения вычитаются, так что итоговое напряжение питания одного плеча равно Е п - Е С2 = Е п /2, а конденсатор С 2 частично заряжается током транзистора VT 3. В полупериод работы транзистора VT 2 конденсатор с напряжением E C 2 = Е п /2 служит источником питания и частично разряжается.
В схемах бестрансформаторных каскадов большой мощности возникает затруднение в выборе комплементарной пары мощных транзисторов с совпадающими или близкими параметрами. Выход - применение в плечах двухкаскадной схемы выходного каскада составных транзисторов.