6 Преобразователи постоянного напряжения

Транзисторные преобразователи постоянного напряжения выполняются по одно- и двухтактной схемам, с самовозбуждением (автогенераторы) и независимым возбуждением (усилители мощности).

Источники электропитания, в которых применяются статические преобразователи, в технической литературе называют импульсными блоками питания. Последние нашли широкое применение в радио и телевизионных приёмниках, в персональных ЭВМ, АТС.

Простейшая схема однотактного автогенератора приведена на рисунке 6.1. 0на представляет собой релаксационный генератор с трансформа­торной обратной связью, выполненной на транзисторе VT1, в коллек­торную цепь которого включен трансформатор, через первичную обмот­ку которого подключено постоянное напряжение источника питания . Цифрами 1 и 2 отмечены выводы вторичной обмотки, к которым подключается выпрямительный диод. Форма тока в цепи коллектора транзистора VT1 зависит от по­лярности включения выпрямительного диода, эти зависимости показаны на рисунке 6.2.

Рисунок 6.1  Схема электрическая принципиальная однотактного преобразователя

При подключении напряжения питания через резистор на базу транзистора VT1 подаётся отпирающий потенциал. Транзистор от­крывается и через первичную обмотку трансформатора протекает ток, который вызывает нарастание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Появляющееся при этом напряжение на обмотке трансформируется в

Рисунок 6.2  Форма тока в цепи коллектора транзистора VT1: с обратным включением диода (а),с прямым включением диода (б)

обмотку положительной обратной связи, что способствует полному открытию транзистора. Когда ток коллектора достигнет своего максимального значения

нарастание магнитного потока в трансформаторе прекращается, поляр­ность напряжения на обмотках трансформатора изменяется на обрат­ную, что приводит к лавинообразному запиранию транзистора. Напряже­ние во вторичной обмотке трансформатора имеет прямоугольную форму.

Способ передачи напряжения в нагрузку зависит от полярности подключения диода ко вторичной обмотке трансформатора.

В преобразователе с обратным включением диода (рисунок 6.2,а) при открытом транзисторе VT1 к первичной обмотке трансформатора приложено напряжение питания и во вторичную обмотку трансфор­мируется импульс напряжения. Однако включен­ный в обратном направлении диод VD1 в это время закрыт и нагруз­ка отключена.

Когда транзистор VT1 закрывается полярность на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную, диод VD1 откры­вается, и выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке .

При следующем цикле, когда VT1 открывается, а диод VD1 запи­рается, конденсатор разряжается на нагрузку , обеспечивая про­текание постоянного тока. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора при этом играет роль дросселя сглаживающего фильт­ра.

При прямом включении диода (рисунок 6.2,б) передача энергии ис­точника питания в нагрузку происходит в момент, когда силовой транзистор VT1 и диод VD1 открыты. Выпрямленный ток про­текает в нагрузку через дроссель фильтра , запасая в нём энергию. Конденсатор сглаживающего фильтра при этом заряжается выпрям­ленным напряжением.

В течении паузы, когда VT1 закрыт, дроссель отдает за­пасенную энергии в нагрузку.

Устранение подмагничивания магнитопровода в однотактных преобразователях достигается включением параллельно пе­рвичной обмотке блокировочного конденсатора , когда VT1 закрывается, конденсатор разряжается через ,произведя перемагничивание магнитопровода.

Стабилизация выходного напряжения в однотактном автогенераторе чаще всего осуществляется за счёт изменения тока коллектора, определяемого током базы транзистора. Для этого в преобразователь вводится цепь обратной связи, которая следит за выходным напряжением и при его изменении соответствующим образом изменяет ток базы и ток коллектора транзистора.

На рисунке 6.3 приведена принципиальная схема двухтактного преобра­зователя с самовозбуждением. Основными элементами преобразователя является трансформатор Т1, транзисторы VT1 и VT2, выпрямитель и сглаживающий фильтр Z1. Трансформатор содержит первичную обмотку , вторичную обмотку и обмотку . Обмотки и имеют отводы от средних точек. Сердечник трансформатора выполняется из материала, имеющего петлю гистерезиса, близкую по форме к прямоугольной. Делитель напряжения R1 и R2 служит для запуска устройства. Конденсатор С1 предназначен для улучшения условий работы транзисторов в моменты их включения.

При подключении схемы к источнику питания через делитель R1R2 протекает ток и с резистора R1 на транзисторы подается напряжение, обеспечивающее отрицательное смещение потенциалов баз относительно эмиттеров. Транзисторы приоткрываются и по полуобмоткам и первичной обмотки протекают токи. Вследствие разброса параметров транзисторов токи и магнитодвижущие силы полуобмоток будут различны, в результате чего в сердечнике трансформатора создается магнитный поток,

Рисунок 6.3 – Принципиальная электрическая схема двухтактного транзисторного преобразователя напряжения

индуктирующий ЭДС в обмотке . При этом в полуобмотках и наводятся ЭДС такой полярности, что к базе одного из транзисторов, например VT1, прикладывается отрицательное напряжение, а к базе транзистора VT2 - положительное. По мере увеличения коллекторного тока транзистора VT1 базовые напряжения будут увеличиваться, что в итоге приведет к полному открытию транзистора VT1 и закрытию транзистора VT2. В процессе нарастания тока в транзисторе VT1 магнитный поток в сердечнике трансформатора будет увеличиваться до его насыщения. При достижении магнитным потоком величины насыщения скорость изменения его становится равной нулю и ЭДС в обмотке падает до нуля.

Потенциал базы транзистора VT1 повышается, сопротивление перехода эмиттер-коллектор транзистора увеличивается и коллекторный ток начинает уменьшаться. Снижение коллекторного тока транзистора VT1 приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике трансформатора, что, в свою очередь, является причиной изменения полярности индуктируемых ЭДС. Следовательно, потенциал базы транзистора VT1 будет повышаться и последний закроется, в то время как потенциал базы транзистора VT2 будет снижаться и транзистор VT2 откроется. Через полуобмотку начнет протекать ток источника питания. Процесс переключения транзисторов будет носить периодический характер и в течение одного периода получаемого на вторичной обмотке напряжения источник будет дважды подключаться к полуобмоткам первичной обмотки . Переменное напряжение с выхода трансформатора подается на выпрямитель и далее через сглаживающий фильтр Z1 в нагрузку.

Частота работы преобразователя зависит от напряжения источника питания, параметров схемы инвертора и тока нагрузки. С увеличением тока нагрузки частота преобразования уменьшается, и в случае короткого замыкания в нагрузке генерация срывается. При снятии короткого замыкания схема вновь начинает работать. К достоинствам рассматриваемой схемы следует отнести ее простоту, отсутствие необходимости применения защиты от коротких замыканий в нагрузке и подмагничивания сердечника трансформатора, а также возможность получения достаточно близкого к прямоугольной форме выходного переменного напряжения инвертора. К недостаткам схемы относятся зависимость частоты и формы выходного напряжения инвертора от величины входного напряжения и тока нагрузки, резкое увеличение коллекторного тока транзисторов в конце каждого полупериода и необходимость применения транзисторов, рассчитанных не менее чем на удвоенное допустимое напряжение на закрытом переходе эмиттер-коллектор.

26