Варианты исходных данных

№ варианта	U1Л, В	Udα, В	Id, A	U*(6)mн
1	380	220	50	0,01
2	380	180	50	0,015
3	380	300	60	0,02
4	380	150	175	0,01
5	380	210	80	0,015
6	380	170	100	0,02
7	380	180	95	0,01
8	380	200	50	0,015
9	380	160	180	0,02
10	380	300	65	0,01
11	380	205	85	0,015
12	380	190	50	0,02
13	380	230	190	0,01
14	380	220	200	0,015
15	380	210	190	0,02
16	380	300	60	0,01
17	380	215	75	0,015
18	380	140	170	0,02
19	380	220	75	0,01
20	380	300	65	0,015
21	380	300	40	0,02
22	380	265	165	0,01
23	380	240	180	0,015
24	380	230	115	0,02
25	380	210	50	0,01
26	380	150	200	0,015
27	380	215	180	0,02
28	380	170	150	0,01
29	380	205	55	0,015
30	380	270	105	0,02

Расчетно-графическая работа №2 расчет преобразователя постоянного напряжения на транзисторах

Цель работы – расчет схемы транзисторного преобразователя постоянного напряжения с насыщающимся трансформатором (генератора Ройера).

Общие сведения.

По принципу действия транзисторные преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы) подразделяются на преобразователи с самовозбуждением и преобразователи с независимым возбуждением. Преобразователи с самовозбуждением выполняют в виде автогенераторов с трансформаторной обратной связью. Преобразователи с независимым возбуждением, кроме собственно инвертора, содержат также маломощный задающий генератор, который обеспечивает подачу импульсов управления к силовым транзисторам преобразователя. В инверторах могут быть использованы транзисторы обоих типов проводимости p-n-p и n-p-n. В последнем случае полярность питающего напряжения должна быть обратной по сравнению с инверторами на транзисторах типа p-n-p.

На рис. 2.1 представлена схема двухтактного транзисторного преобразователя постоянного напряжения. Преобразователь постоянного напряжения представляет собой автогенератор с индуктивной обратной связью. Активным элементом преобразователя является транзистор, работающий в ключевом режиме. Ключевой режим работы позволяет преобразовывать мощность с высоким КПД, достигающим 90 – 95 %.

Трансформатор выполняется на сердечнике из материала, обладающего прямоугольной петлей намагничивания (пермаллои, холоднокатаная электротехническая сталь). Преобразователь работает в режиме поочередного отпирания двух транзисторов. Открытое состояние одного транзистора и закрытое состояние другого задаются цепями обратной связи, создаваемыми с помощью базовых обмоток трансформатора w_Б, w_Бʹ. Обычно обмотки выполняются идентичными w_Б = w_Бʹ, w₁ = w₁ʹ. Переключение транзисторов происходит, когда индукция в сердечнике достигает индукции насыщения + B_S или – B_S (рис. 2.2).

Рассмотрим работу схемы (рис. 2.1) на активную нагрузку. При подключении источника питания в коллекторной цепи транзисторов VT1 и VT2 протекают неуправляемые токи коллекторных переходов I_КО1 в транзисторе VT1 и ток I_КО2 в транзисторе VT2. Эти токи, протекая по обмоткам w₁ и w₁ʹ трансформатора Тр, создают встречно направленные магнитодвижущие силы (МДС). Если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры и схема преобразователя симметрична, то суммарный магнитный поток в сердечнике трансформатора будет равен нулю.

Рис. 2.1. Принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения на транзисторах.

Однако, из-за разброса параметров транзисторов токи I_КО1 и I_КО2, всегда различны. Пусть, например, ток I_КО1 в транзисторе VT1 будет больше тока I_КО2 в транзисторе VT2. Следовательно, МДС верхней w₁ и нижней w₁ʹ первичных обмоток будут также различны. В результате неравенства встречно действующих МДС создается результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора, который индуктирует в базовых обмотках w_Б и w_Бʹ ЭДС, направленные так, что к базе транзистора VT1, через который протекал больший ток I_КО1, прикладывается отрицательное напряжение, а к базе транзистора VT2, через который протекал меньший ток I_КО2 – положительное напряжение. Отрицательное напряжение, приложенное к базе транзистора VT1, приведет к увеличению базового тока, что приведет к еще большему увеличению коллекторного тока. При этом напряжение, прикладываемое к обмотке трансформатора w₁ также нарастает, создавая положительную обратную связь для транзистора VT1, и способствует дальнейшему росту коллекторного тока до тока насыщения. На обмотке w_Б индуцируется напряжение с отпирающей для транзистора VT1 полярностью (на базу приложен отрицательный потенциал), VT1 транзистор открыт и насыщен.

На обмотке w_Бʹ действует в это время напряжение с запирающей для транзистора VT2 полярностью (на базу приложен положительный потенциал). Приложенное к обмотке w₁ напряжение вызывает изменение индукции в магнитопроводе и постепенное перемещение рабочей точки из положения 1 в направлении точек 2 и 3 по восходящему участку петли намагничивания сердечника (рис. 2.2). Ток коллектора на большей части интервала проводимости транзистора остается без изменения. Это обуславливается постоянством тока намагничивания ввиду прямоугольности петли намагничивания.

Рис. 2.2. Вид прямоугольной петли намагничивания.

После перемещения рабочей точки в положение 2 (момент t₁, рис. 2.3) и затем выхода ее на почти горизонтальный участок петли намагничивания сердечник насыщается, индуктивность коллекторной обмотки уменьшается, что вызывает быстрое увеличение намагничивающего тока и соответственно тока i_K1. В момент времени t₂ (рис. 2.3), соответствующий положению 3 рабочей точки, коллекторный ток транзистора VT1 возрастает до максимального значения I_K.max. Транзистор VT1 выходит из режима насыщения, напряжение на нем увеличивается, а напряжение на обмотке w₁ и w_Б уменьшается. Это соответствует началу развития лавинообразного процесса, связанного с запиранием транзистора VT1. В процессе запирания транзистора VT1, ток, протекающий через него, уменьшается до нуля. В связи с этим под действием ЭДС самоиндукции на обмотках трансформатора индуцируется напряжение противоположной полярности, вызывающее отпирание транзистора VT2 и поддержание в закрытом состоянии VT1. Изменившаяся полярность напряжения на обмотках сохраняется на этапе открытого состояния VT2. При этом на обмотке w₁ʹ действует напряжение, близкое к U_П.

К закрытому транзистору VT1 прикладывается напряжение 2U_П, равное сумме напряжений обмоток w₁ и w₁ʹ. На этом этапе процесс в схеме протекает аналогично рассмотренному. Он характеризуется изменением индукции в сердечнике трансформатора от (+ B_S) до (– B_S) и перемещением рабочей точки из положения 4 в направлении точки 5, заканчиваясь в момент времени, когда рабочая точка на петле намагничивания достигает положения 6. В дальнейшем процессы повторяются.

Магнитная индукция за время открытого состояния транзистора одного транзистора изменяется от насыщения (+ B_S) в одном направлении до насыщения (–B_S) в противоположном направлении, что определяет длительность полупериода генерирования схемы.

Пренебрегая падениями напряжения на транзисторе в состоянии насыщения и на активном сопротивлении обмотки трансформатора, по закону электромагнитной индукции можно записать:

где w₁ – число витков первичной обмотки;

S_СТ – площадь сечения сердечника трансформатора;

U_П – напряжение питания преобразователя.

Учитывая, что время перемагничивания сердечника от индукции (+B_S ) до индукции (– B_S ) равно половине периода генерации, получаем:

После интегрирования получаем выражение для частоты генерации преобразователя:

Двухтактные полупроводниковые преобразователи напряжения на транзисторах находят преимущественное применение для преобразования энергии источников постоянного тока в переменный ток или в постоянный ток другого напряжения для питания нагрузки сравнительно небольшой мощности (десятки и сотни ватт). При преобразовании постоянного напряжения в постоянное цепь нагрузки подключают к выходной обмотке через выпрямитель.

Рис. 2.3. Временные диаграммы работы преобразователя напряжения на транзисторах.