Простейшим двухтактным инвертором является автогенератор по схеме Ройера. Здесь транзисторы попеременно находятся в состоянии насыщения и отсечки (рис.5.7).
Рисунок 5.7 – Двухтактный автогенератор
После включения питания через резистор R1 протекает ток, открывающий оба транзистора. Схема симметрична и коллекторные токи транзисторов равны между собой iK1 = iK2, ЭДС самоиндукции в обмотках W1 также равны по величине, но противоположно направлены. Поэтому коллекторная обмотка в целом нейтральна и в базовой обмотке ничего не наводится. За счёт тепловых, дробовых или фликкер – шумов ток одного из транзисторов мгновенно станет больше. Пусть iK1 > iK2, тогда в базовой обмотке появится ЭДС, как показано на рис.5.7, под действием которой VT1 приоткрывается, а VT2 призакрывается, iK1 ещё больше возрастает, возрастает ЭДС и т.д. протекает лавинообразный процесс, в результате которого VT1 входит в насыщение, а VT2 – в состояние отсечки. Рабочая точка сердечника входит в область насыщения рост тока прекращается, ЭДС самоиндукции меняет знак на противоположный, чтобы поддержать падающий ток и происходит обратный лавинообразный процесс, в результате которого VT2 входит в насыщение, а VT1 – в состояние отсечки и так далее.
Это автогенератор с насыщающимся трансформатором. Индукция в сердечнике меняется от –Bm до +Bm. . Резистор R1 служит для запуска схемы, а резистор Rб ограничивает базовый ток в открытом состоянии.
Из– за конечного быстродействия транзисторов, работающих с насыщением, время рассасывания коллекторного тока не равно нулю и время выключения больше времени включения. Поэтому в момент смены полярности напряжения на W1 , VT1 ещё не успевает перейти в состояние отсечки, а VT2 уже включился и, к ещё открытому VT1, прикладывается напряжение
(5.6)
Поэтому коллекторный ток имеет всплеск – так называемый сквозной ток (рис.5.8).
Рисунок 5.8 – Сквозные токи в схеме Ройера
Величина сквозного тока может в несколько раз превышать рабочий ток.
Поэтому в современных источниках питания такие схемы используется редко, но в радиолюбительской практике очень широко – простота и надёжность, при небольшой выходной мощности – до 100 Ватт делают схему очень привлекательной.
Для больших мощностей используют преобразователи с независимым возбуждением, чтобы уменьшить мощность потерь в насыщающемся выходном трансформаторе. Усложняется схема управления, формируются сигналы управления с запасом по времени на выключение транзисторов.
К двухтактным относятся также мостовые и полумостовые схемы. На рис.5.9а приведена силовая цепь мостового инвертора, а на рис. 5.9б – диаграмма работы при активной нагрузке. Ключи работают попарно и поочерёдно (VT1, VT4 и VT2, VT3). Потери здесь больше, чем в обычной схеме, поскольку в цепи тока включены последовательно два ключа. Напряжение на закрытом ключе равно всего Eк, поэтому такая схема предпочтительна при высоких напряжениях питания. Форма напряжения на нагрузке и форма тока совпадают.
Рисунок 5.9 – Мостовой инвертор
На практике нагрузка редко бывает активной, обычно она имеет индуктивный характер (рис.5.10) и ток в первичной обмотке не может измениться мгновенно.
Рисунок 5.10 – Мостовой инвертор с индуктивным характером нагрузки
После коммутации ключей (VT1,4 закрываются, VT2,3 открываются) под действием ЭДС самоиндукции ток протекает ещё некоторое время ( 
) через первичную обмотку в том же направлении. Ключи VT2,3 не держат обратного напряжения и могут быть пробиты этой ЭДС самоиндукции. Для их защиты и создания пути тока разряда индуктивности все ключи шунтируют диодами. На рис. 5.10 условно показаны только два из них. Энергия, запасённая в индуктивности, возвращается в источник по цепи: минус источника ЕК, диод VD3, обмотка W1, диод VD2, плюс источника ЕК , имеет место рекуперация, а чтобы ток протекал в источник, величина ЭДС превышает ЕК на величину 
. Мгновенная мощность на интервале отрицательна 
. (5.7)
Рекуперация энергии может играть и положительную роль. Например, городской электротранспорт и локомотивы на железной дороге. В них, при движении идёт потребление энергии от контактной сети приводными электродвигателями. При торможении двигатели переключаются в генераторный режим, кинетическая энергия движения преобразуется в электрическую и возвращается в сеть. В источниках электропитания рекуперация приводит только к дополнительным потерям и её следует избегать. В мостовом инверторе, например, можно изменить алгоритм управления ключами, как показано на рис.5.11.
Рисунок 5.11 – Мостовой инвертор без рекуперации
В этой схеме при замкнутых ключах VT1 и VT4, идёт передача энергии в нагрузку и её накопление в индуктивности. После размыкания VT1, ЭДС самоиндукции меняет знак, как показано на рис.5.11а и индуктивность разряжается через открытый ключ VT4 и защитный диод VD3 на нагрузку. Здесь запас по времени такой, что индуктивность полностью разряжается и появляются высшие гармоники в составе выходного напряжения. Если не будет разрыва между токами ip и i1 , то не будет провала в выходном напряжении и в его спектре будет меньше высших гармоник.
В мостовых схемах инверторов имеется четыре управляемых ключа и довольно сложная схема управления. Уменьшить число ключей позволяет полумостовая схема инвертора, которая приведена на рис.5.12.
Рисунок 5.12 – Полумостовой инвертор
Здесь конденсаторы С1 и С2 создают искусственную среднюю точку источника 
. При открытом VT1 С1 разряжается на нагрузку и подзаряжается С2, а при открытом VT2 – наоборот ( С2 разряжается на нагрузку и подзаряжается С1). Напряжение, прикладываемое к первичной обмотке трансформатора равно напряжению на одном конденсаторе.
Резонансные инверторы
Резонансные инверторы широко известны в преобразовательной технике. В них обеспечивается гармоническая форма тока в силовой цепи за счет колебательного контура. Рассмотрим принцип действия резонансного инвертора, который поясняется схемой и эпюрами рис.5.13.
Рисунок 5.13 – Принцип действия резонансного инвертора
На этом рисунке S1, S2 – управляемые ключи, работающие в противофазе. Когда замыкается ключ S1 , начинается рост тока i1 по гармоническому закону. Частота собственных колебаний контура с потерями равна
(5.8)
Через промежуток T0/2 ток в цепи станет равным нулю и ключ размыкается при нулевом значении коммутируемой мощности. В момент времени t1 замыкается ключ S2 и формируется отрицательная полуволна тока в нагрузке вследствие колебательного обмена энергии между реактивными элементами. Снова через T0/2 ток в цепи становится равным нулю, S2 размыкается и замыкается ключ S1 и так далее. Добротность контура
(5.9)
Если частота коммутации ключей соответствует частоте резонанса контура 
, то форма напряжения на нагрузке близка к гармонической, а его действующее значение 
(5.10)
Нагрузка может включаться последовательно (как на рис.5.13) или параллельно любому из реактивных элементов, обычно конденсатору.
Достоинства резонансных инверторов:
а) уменьшение потерь мощности на коммутацию. Особенно в условиях большого технологического разброса параметров ключей. Обеспечивается, так называемая, “мягкая” коммутация,
б) снижение уровня высокочастотных помех как излучаемых (радиопомех), так и распространяемых по проводам (кондуктивных), в питающую сеть и в нагрузку,
в) отсутствие сквозных токов в двухтактных схемах приводит к
повышению надежности.
Недостатки резонансных инверторов:
а) значительное превышение напряжения на реактивных элементах над напряжением питания из-за явления резонанса;
б) увеличение габаритов сглаживающих фильтров по сравнению с прямоугольным напряжением;
в) более высокая установочная мощность ключей.
Примерная схема транзисторного преобразователя с резонансным инвертором приведена на рис.5.14. Нагрузка RH подключена параллельно конденсатору СК через двухполупериодный выпрямитель VD1 и VD2.
Рисунок 5.14 – Преобразователь с резонансным инвертором
Трансформатор TV обеспечивает согласование по уровню напряжения и гальваническую развязку сети и нагрузки. Стабилизация выходного напряжения осуществляется частотной модуляцией тактовой частоты ( fT) схемы управления. Для чего fT выбрана несколько меньше резонансной частоты контура LK CK. Регулировкой частоты можно получить нестабильность около 0,1%. Уровень помех примерно на 15 дБ ниже, чем в не резонансных схемах инверторов.
Для управления ключами инверторов разработано много специализированных и универсальных контроллеров, например, 1114ЕУ1…1114ЕУ5, UC3846, UC3875, TL494, TL599 и др.
Примеры задач по преобразователям с решениями
Пример 5.5.1
Исходные данные: имеется преобразователь напряжения с выпрямителем и выходным сглаживающим фильтром, схема которого приведена на рис.5.15. Его параметры: 
, 
, 
, 
, 
.
Определите величину напряжения на нагрузке этого источника (все элементы идеальные).
Рисунок 5.15 – Схема источника питания
Решение. Напряжение на входе сглаживающего фильтра (диод VD3) источника питания имеет вид, представленный на рисунке 5.16.
Постоянная составляющая равна
,
где 
- коэффициент трансформации,
- коэффициент заполнения импульса.
Рисунок 5.16 – Форма выходного напряжения выпрямителя
Пример 5.5.2
Исходные данные: Форма напряжения на выходе инвертора имеет вид рисунка 5.17.
Рисунок 5.17 – Напряжение на выходе инвертора
Определите оптимальное значение коэффициента заполнения импульсов управления инвертором ( 
) с точки зрения минимального содержания 3 и 5 гармоник.
Решение. Гармонические составляющие выходного напряжения для прямоугольного сигнала имеют следующую зависимость от коэффициента заполнения импульсов [7]: 
Согласно этому выражению построим регулировочные кривые для трёх гармоник k=1, k=3 и k=5 (рис. 5.18).
Рисунок 5.18 – Гармонические составляющие выходного напряжения инвертора
Из графических зависимостей видно, что минимальное содержание 3 и 5 гармоник имеет место при KЗ = 0,73.
Пример 5.5.3
Исходные данные: Имеется однотактный конвертор с обратным включением выпрямительного диода (рис. 5.19). Параметры схемы: 
, 
, 
, 
.
Рисунок 5.19 – Конвертор напряжения
Определите минимальное значение коэффициента заполнения при идеальных ключах.
Решение. На выходе трансформатора в номинальном режиме максимальное напряжение равно 30В, так как 
. Среднее значение напряжения на выходе равно 
. Минимальный коэффициент заполнения соответствует максимальному отклонению напряжений, т.е.
.
Пример 5.5.4
Исходные данные: Имеется конвертор напряжения (рис. 5.20) на базе полумостового инвертора с параметрами: 
, 
, 
, ток нагрузки 
.
Рисунок 5.20 – Конвертор напряжения
Определите напряжение на коллекторе закрытого транзистора (VТ1 или VT2) и максимальное значение тока в первичной цепи трансформатора I1 .
Решение. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора не превышает уровень напряжения питания, т.е. 
.
Максимальное значение тока в первичной цепи трансформатора равно [31]:
Дата: 2018-12-21, просмотров: 305.
