Двухтактный инвертор с самовозбуждением

Наиболее распространенной является схема двухтактного инвертора при включении транзисторов по схеме с ОЭ, содержащая насыщающийся трансформатор.


Рис 2.5.3.

 

Переключение транзисторов в ней происходит из-за насыщения сердечника трансформатора. Магнитопровод должен быть из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Транзисторы VT 1 и VT 2 поочередно подключают источник питания Uп к первичным полуобмоткам трансформатора, вызывая изменение магнитной индукции в магнитопроводе от одного предельного значения (-Bs) до другого (+Bs). Входные цепи VT1 и VT2 питаются от обмоток положительной обратной связи (ПОС) W3. Нагрузка подключается ко вторичной обмотке.
При включении напряжения питания Uп в силу неидентичности характеристик транзисторов токи VT1 и VT2 не равны. Пусть iк1 > iк2. Ток намагничивания im = iк1 - iк2, протекая по обмотке W1, индуцирует во всех обмотках ЭДС определенной полярности.


Рис 2.5.4.

 

С обмоток ПОС на базу VT1 подается отрицательное, а на базу VT2 – положительное напряжение возбуждения Uб1 = Uос + Ur2. VT1 еще больше открывается, а VT2 – закрывается. Рабочая точка перемещается по динамической характеристике из положения А в положение Б; затем в В и VT1 входит в режим насыщения, Iк1h Uкэ1i. К первой полуобмотке прикладывается напряжение U1 = Uп – Uкн1, так как u1 = -W1S (dB/dt), сердечник перемагничивается с постоянной скоростью

(dB/dt) = (Uп – Uкн1)/SW1 , (2.5.1.)

где S – площадь сечения сердечника.

По ППГ точка перейдет из 1 в 2 (+Bs). Это линейный процесс, при котором формируется вершина импульса u2.

U2m=(Uп-Ukн)W2/W1 (2.5.2.)

В конце этого этапа, когда состояние изменяется от (2) до (3), сердечник насыщается, магнитная проницаемость mi, увеличивается ток намагничивания im, и, как следствие, увеличивается iк1=Ikm. На динамической характеристике это точка В. Но рост тока iк1 ограничивается величиной Uп, Iб1. Так как изменения ни индукции, ни im не происходит, ЭДС во всех обмотках падают до нуля, Uк1h и VT1 выходит из насыщения. С этого момента начинается лавинообразный процесс, который приводит к переключению транзисторов. Увеличение Uк приведет к уменьшению U1. Это вызовет уменьшение магнитного потока Ф и индукции В (точка 4), что вызовет во всех обмотках наведение ЭДС обратной полярности. Теперь на базу VT1 подается положительное напряжение, а на базу VT2 – отрицательное.


Рис 2.5.5.

 

Рабочая точка мгновенно перемещается из точки В` в Г, а затем в точку Д (к закрытому VT1 прикладывается удвоенное напряжение питания)

Uкэmах =2Uп , (2.5.3.)

Iк1=Iк0≈0. VT1 закрывается, VT2 открывается. После запирания ранее открытого VT1 начнется второй медленный этап – спад индукции в сердечнике от +Bs до –Bs из точки 4 в точку 5. Время запирания и отпирания транзисторов, в течение которых индукция меняется от Bm до Bs, Тк/2 мало по сравнению с величиной полупериода Т/2, поэтому время изменения индукции от –Вs до +Bs практически определяет Т/2: (Tл/2)(dB/dt) = 2 Bs.
Подставим сюда dB/dt из (2.5.1.) и определим частоту колебаний инвертора:

f = 1/ Tл = (1/4Bs)(dB/dt) = (Uп - Uкн)/4W1 SBs (2.5.4.).

При расчете частоты инвертора, работающего на повышенной частоте, нужно учитывать длительность коммутационных процессов Тк. Тк зависит от инерционности транзистора и для этой схемы равна времени рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов.
Одной из особенностей инвертора с самовозбуждением является возникновение значительных выбросов коллекторных токов. Оценим величину этих выбросов.
Для уверенного и глубокого насыщения транзистора амплитуда базового тока выбирается в К1 раз выше, чем та, что необходима для переключения транзистора при минимальном коэффициенте усиления по току, то есть

Iбm = K1(Iкн/b­ min) (2.5.5.).

Для транзисторов с b­ > b­min кратность отпирающих импульсов будет другой, фактический
коэффициент насыщения

Кф=К1(b­/b­ min) (2.5.6.).

Поскольку разброс b ­ может быть очень большим, то при К1=2, а b­ =5 b­ min, Кф=10. Если в режиме насыщения Iк = I кн, то в переходном режиме Iк будет определяться уровнем тока базы:

Iкm = Iбmb = Кф Iкн ­ (2.5.7.).

Выброс может на порядок превышать Iкн. Требуемое значение базового тока Iбн = Iбm обеспечивается выбором напряжения U ос базовой обмотки и резистором R2

Uоc = (3-5)Uбн, R2 = (Uос - Uбн )/Iбн

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе необходимо, чтобы фронты переменного прямоугольного напряжения имели минимальную длительность. Достигается это применением ВЧ силовых транзисторов с большим b ­ или шунтированием R2 конденсатором С2 . С ≤ T/2R2 = 1/2fR2.

Таким образом, для успешной работы транзистор должен иметь

Uкэдоп > 2Uп, Iкдоп> 10Iкн (2.5.8.).

Это приводит к излишне большой Pкmax транзистора по сравнению с Рвых.


Рис 2.5.6. Рис 2.5.7.

 

Меньшие амплитуды выбросов коллекторного тока получают в инверторе с дросселем в цепи эмиттеров силовых транзисторов. При насыщении трансформатора, когда iк1 начинает возрастать, iLh. Увеличение iL приводит к появлению ЭДС самоиндукции. Uб1 = Uос + UL для закрывающегося VT1 будет запирающим. Это ускорит процесс рассасывания неосновных носителей зарядов и запирание транзистора, одновременно ограничив iк.
Больший эффект дает схема с переключающим трансформатором.
В этой схеме нет выбросов iк1, так как транзисторы запираются не по коллектору, а по базе. Сердечник трансформатора Т1 не насыщается (В < В s). Сердечник менее мощного переключающего трансформатора насыщается. При этом UR3 h и уменьшается напряжение на обмотках Т2. Ток базы iб1 насыщенногоVТ1 уменьшается, а после рассасывания неосновных носителей VТ1 запирается. При этом dB2/dt i, ЭДС в обмотках Т2 уменьшаются еще больше до нуля и VТ2 открывается. Так как выход транзистора из режима насыщения начинается с уменьшения iб, то рассасывание заряда неосновных носителей в базе открытого транзистора не приводит к выбросу iк

f ≈ U21/4W21 Bs2S2
недостаток этой схемы - два трансформатора.


Рис. 2.5.8.

 

Однако роль переключающего трансформатора может выполнить насыщающийся дроссель. Он включается в базовые цепи. Насыщение дросселя приводит к росту iL, iб уменьшается и насыщенный транзистор запирается.