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.
Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют не только увеличить КПД преобразователя, но и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает большее постоянство выпрямленного напряжения. В этих схемах целесообразно использовать схемы выпрямления, в которых отсутствует постоянное вынужденное подмагничивание магнитопровода (двухфазная двухполупериодная с выводом средней точки и однофазная мостовая).
В схемах двухтактных автогенераторов роль переключателей выполняют транзисторы, которые поочередно открываются и закрываются подобно транзисторам в схемах симмертичного мультивибратора. Такие схемы могут быть собраны с общим эмиттером, с общей базой и общим коллектором. Наибольшее распространение находит схема с общим эмиттером, которая при малых напряжениях источника U вх позволяет получить высокий КПД.
Двухтактный преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером (рис. 3), состоит из двух транзисторов VT 1 VT 2 и трансформатора, имеющего три обмотки: коллекторную (состоит из двух полуобмоток ω К1 и ω К2), базовую (состоит из двух полуобмоток ω Б1 и ω Б2) и выходную ω ВЫХ. Как и в однотактном преобразователе, коллекторная обмотка является первичной, а базовая - обмоткой обратной связи.
Рис. 3. Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером
Магнитопровод трансформатора выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 4, а).
Рис. 4. К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения:
а - петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора;
б - диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме
В качестве материала для магнитопровода используется пермаллой и ферриты различных марок. Делитель напряжения R 1 R 2 обеспечивает запуск преобразователя, поскольку при включении питающего напряжения U вх на резисторе R 1 (рис. 3) появляется небольшое падение напряжения (в среднем 0,7 В), минус которого приложен к базам транзисторов. Это напряжение выводит рабочую точку транзистора в область больших токов, обеспечивая самовозбуждение генератора. Конденсатор С 1 повышает надежность процесса самовозбуждения. Емкость С 1 подбирается экспериментально; значение ее находится в пределах от 0,1 до 2 мкФ.
Принцип работы схемы двухтактного преобразователя состоит в следующем. При включении напряжения питания U вх падение напряжения на R 1 откроет оба транзистора VT 1 и VT 2 , при этом вследствие разброса параметров транзисторов токи i К1 и i К2 , протекающие по ним, не могут быть совершенно одинаковыми. Допустим i К1 > i К2 при этом в магнитопроводе трансформатора возникнет магнитный поток, направление которого определяется преобладающим током коллектора i К1 (рис. 3, направление i К1 показано сплошными стрелками). Этот поток наводит ЭДС на всех обмотках трансформатора (рис. 3, знаки без скобок), причем ЭДС, наводимая в базовых полуобмотках ω Б1 и ω Б2 , создаст на базе VT 1 «минус», а на базе VT 2 «плюс», что приведет к еще большей разнице в токах i К1 и i К2 . Благодаря положительной обратной связи в схеме процесс открытия VT 1 и закрытия VT 2 протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT 1 в режим насыщения. К полуобмотке ω Б1 окажется приложенным напряжение
где U кэ1 нас -падение напряжения на открытом транзисторе VT 1 .
Транзистор VT 1 будет открыт до тех пор, пока магнитный поток трансформатора не достигнет значения Ф s (поток насыщения). Как видно из рис. 4, а при прямоугольной петле гистерезиса трансформатора магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным, а, как известно из теории трансформаторов (гл. 1), при постоянном магнитном потоке в обмотках трансформатора ЭДС наводиться не может. По этой причине в момент достижения магнитным потоком значения Ф s исчезают (или становятся весьма малы) ЭДС во всех обмотках трансформатора, а соответственно и токи в этих обмотках.
Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности (рис. 3, знаки в скобках), т.е. на базе VT 1 появится положительное напряжение по отношению к эмиттеру и транзистор VT 1 закроется, а на базе транзистора VT 2 появится отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, что приводит к отпиранию VT 2 и к появлению тока i К2 в полуобмотке ω К2 (направление i К2 показано пунктиром). Это вызывает увеличение отрицательного напряжения в базе VT 2 и дальнейший рост тока i К2 ; этот процесс протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT 2 в режим насыщения. В результате (при открытом VT 2) к полуобмотке ω к2 окажется приложенным напряжение
Таким образом, напряжение на каждой из полуобмоток ω к1 и ω к2 определяется формулами (1) и (2) и имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 4, б, график и к ).
Частота генерации преобразователя согласно
где U кэ нас -падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения; U r -падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки трансформатора, В; ω к - число витков половины вторичной обмотки (ω к =ω к1= ω к2); B s -значение индукции насыщения, Тл; S c - площадь сечения магнитопровода трансформатора.
Как видно из (3), частота генерации преобразования f п зависит от напряжения источника питания U BX и от тока нагрузки I 0 . Дело в том, что при увеличении тока нагрузки увеличивается ток на выходе инвертора (I Вых), а следовательно, возрастает ток в первичной обмотке (ток I к). Увеличение тока I к приведет к увеличению падения напряжения на ней, т. е. U r , и согласно формуле (3) частота f п уменьшится.
При коротком замыкании на выходе преобразователя транзисторы VT 1 и VT 2 выходят из режима насыщения и генерация срывается. При устранении короткого замыкания схема легко возбуждается; таким образом, данная схема нечувствительна к коротким замыканиям.
Архитектура эвм вычислительные системы сети телекоммуникации
ДокументЗависимостей с целью их упрощения . 5. Представление полученных... однотактного (а) и двухтактного (б) RS-триггеров. ... , специализированные преобразователи информации, ... индексу (index search) позволяет... для научно-технических расчетов , задач математического...
- Руководство
LPC 1.0 приводится расчет упрощенные Index I 8 Index 8 Index двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным...
- архив
LPC 1.0 приводится расчет пропускной способности интерфейса... . Встречаются и упрощенные варианты, без... DS3) 6 FDEDIN (DS3) 8 Index I 8 Index 8 Index 10 Motor On A о 10 ... здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным...
- Руководство
LPC 1.0 приводится расчет пропускной способности интерфейса... . Встречаются и упрощенные варианты, без... DS3) 6 FDEDIN (DS3) 8 Index I 8 Index 8 Index 10 Motor On A о 10 ... здесь применяется двухтактная схема преобразователя с бестрансформаторным...
Пожалуй одна из самых простых схем преобразователей напряжения из себя представляет простой двухтактный преобразователь на полевых транзисторах, которые включены по схеме мультивибратора. Стабилитроны из схемы можно исключить, если конечно схема предназначена для питания от напряжения не более 12 вольт. Резисторы в схеме не критичны их номинал может быть в районах от 220 ом до 1 килоома, они ограничивают ток затвора полевых транзисторов, следовательно подбором их номинала можно регулировать частоту преобразователя. Резисторы желательно применить с мощностью 0,5-1 ватт, возможен перегрев этих резисторов, но это не страшно.
Работа двухтактного преобразователя достаточно проста, транзисторы поочередно открываясь и закрываясь создают в первичной обмотке трансформатора переменное напряжение высокой частоты. Трансформатор мотается на желтом ферритовом кольце из компьютерного блока питания, хотя можно использовать и кольца марки 2000НМ.
Для питания ЛДС трансформатор в первичной обмотке содержит 6 витков с отводом от середины, провод 0,6-1 мм, вторичная обмотка содержит 90 витков и растянута по всему кольцу, провод 0,2-0,4 мм, изоляции можно не ставить, если для первички применить многожильный провод в резиновой изоляции.
Преобразователь способен развивать мощность до 20 ватт при использовании полевых транзисторов серии IRFЗ44 и до 30 ватт если применить транзисторы типа IRF3205. Область применения такого рода двухтактных преобразователей достаточно широка, поскольку преобразователь способен развивать неплохую выходную мощность и имеет очень компактные размеры, целесообразно использовать его в для зарядки конденсаторов или же для питания ЛДС в походных условиях, где нет бытовой сети 220 вольт, питать таким преобразователем активные устройства - приемники, маломощные зарядные устройства нельзя, поскольку частота преобразователя достаточно высокая.
|
|
По сути, жало паяльника закаляется из-за короткого замыкания. Вторичная обмотка содержит пол витка, напряжение прядка 1 вольта, но сила тока доходит до 15 Ампер! Именно из-за пониженного напряжения, нагрузка не столь велика, в ходе работы детали почти холодные.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.