Двухтактные преобразователи напряжения

Простейшим двухтактным инвертором является автогенератор по схеме Ройера. Здесь транзисторы попеременно находятся в состоянии насыщения и отсечки. Эта схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема двухтактного преобразователя напряжения

После включения питания через резистор R1 протекает ток, открывающий оба транзистора. Схема симметрична и коллекторные токи транзисторов равны между собой i_K1 = i_K2, ЭДС самоиндукции в обмотках W1 также равны по величине, но противоположны по направлению. 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 i_K1 > i_K2, тогда в базовой обмотке появится ЭДС, как показано на рисунке 1, под действием которой VT1 приоткрывается, а VT2 призакрывается, i_K1 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 R_б 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

(1)

Поэтому коллекторный ток имеет всплеск – так называемый сквозной ток. Временные диаграммы напряжения приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 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 рисунке 3а приведена силовая цепь мостового инвертора, а на рисунке 3б – 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.

Полумостовая схема преобразователя напряжения

Рисунок 3 Мостовой инвертор

На практике нагрузка редко бывает активной, обычно она имеет индуктивный характер (рисунок 4) и ток в первичной обмотке не может измениться мгновенно.

Рисунок 4 Мостовой инвертор с индуктивным характером нагрузки

После коммутации ключей (VT1,4 закрываются, VT2,3 открываются) под действием ЭДС самоиндукции ток протекает ещё некоторое время (Δt) 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 рисунке 4 условно показаны только два из них. Энергия, запасённая в индуктивности, возвращается в источник по цепи: минус источника Е_К, диод VD3, обмотка W1, диод VD2, плюс источника Е_К , имеет место рекуперация, а чтобы ток протекал в источник, величина ЭДС превышает Е_К на величину ΔU. Мгновенная мощность на интервале Δt отрицательна

p = u×i < 0 (2)

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 рисунке 5.

Рисунок 5 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 рисунке 6а 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 i_p и i₁, то не будет провала в выходном напряжении и в его спектре будет меньше высших гармоник.

В мостовых схемах переобразователей напряжения имеется четыре управляемых ключа и довольно сложная схема управления. Уменьшить число ключей позволяет полумостовая схема, которая приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 полумостовая схема переобразователя напряжения

Здесь конденсаторы С1 и С2 создают искусственную среднюю точку источника . При открытом VT1 конденсатор 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.

Вместе со статьей "Двухтактные преобразователи" читают: