Двухтактный транзисторный инвертор с самовозбуждением
Двухтактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.4, а) состоит из двух транзисторов VT1и VT2, а также из трансформатора Т с тремя обмотками, сердечник которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Отрицательное смещение на базы транзисторов подается со средней точки делителя напряжения R1R2, к которому подключено входное напряжение U0. Сопротивление резистора R1много меньше, чем у резистора R2, поэтому между базой и эмиттером каждого транзистора действует небольшое напряжение, приходящееся на резистор R1и составляющее десятые доли вольта. Конденсатор С облегчает запуск инвертора. В момент включения питания ток заряда конденсатора проходит через резистор R1. При этом на нем кратковременно увеличивается падение напряжения и на базах транзисторов возрастает отрицательный потенциал.
После включения инвертора в первый момент благодаря наличию отрицательного смещения на базах открываются оба транзистора. Параметры транзисторов не могут быть абсолютно одинаковыми, поэтому коллекторные токи будут несколько отличаться друг от друга. Предположим, что ток транзистора VT1превышает ток транзистора VT2, что приведет к тому, что в трансформаторе будет преобладать магнитный поток, возникающий за счет тока iк1. Благодаря этому э.д.с., возникшие в других обмотках за счет взаимоиндукции, будут иметь полярность, указанную на схеме. На базе транзистора VT1 появится отрицательный потенциал относительно эмиттера, а на базе VT2 - положительный. При этом транзистор VT1будет продолжать открываться и ток iк1 увеличиваться, а транзистор VТ2начнет закрываться. Этот процесс нарастает лавинообразно. К моменту времени t1транзистор VТ1 открыт и находится в режиме насыщения (рисунок 6.4, в и г), а транзистор VТ2закрыт и находится в режиме отсечки (рисунок 6.4, д). С момента насыщения транзистора VТ1 к обмотке I’ трансформатора будет приложено почти все напряжение источника постоянного тока U1 ≈ U0 (рисунок - 6.4, д). На этом заканчивается процесс включения инвертора.
Рисунок 6.4 – Схема двухтактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а),
характеристика намагничивания сердечника трансформатора (б);
временные диаграммы напряжений и токов (в-е)
Дальше начинается линейный процесс. Индукция в сердечнике трансформатора нарастает линейно со скоростью dB/dt = (U0 - UKH)/Sω, где UKH - напряжение коллектор - эмиттер насыщенного транзистора; S -площадь поперечного сечения сердечника w -число витков обмотки I’. Коллекторный ток транзистора iK = i`H + i`0 + iμ; где i’H-ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке; i’0- ток, нейтрализующий намагничивание, создаваемое током отсечки запертого транзистора IK0; iμ - ток намагничивания.
Ток намагничивания и нейтрализации на этом этапе очень малы. Линейный процесс продолжается до момента времени t2, когда индукция в сердечнике достигнет индукции насыщения BS(рисунок 6.4,6). С этого момента начинается коммутационный процесс. Ток коллектора нарастает из-за увеличения тока намагничивания iμ. При этом степень насыщения транзистора падает. Заряд неосновных носителей в его базе уменьшается. К моменту времени t3 коллекторный ток транзистора возрастает настолько, что он выходит из насыщения. Напряжение на транзисторе начинает возрастать (рисунок 6.4,5), что приведет к уменьшению напряжения на первичной обмотке трансформатора и положит начало закрывания транзистора VT1. При запирании транзистора VT1сердечник трансформатора Т начинает перемагничиваться, что приводит к появлению на обмотках трансформатора напряжений, противоположных по знаку тем, которые были ранее (см. рисунок 6.4,а). Процесс развивается лавинообразно и к моменту времени t4 приводит к запиранию транзистора VT1и открыванию транзистора VT2.
После переключения транзисторов вновь начинается линейный процесс, который сопровождается изменением индукции от +ВS до -ВS. В дальнейшем процессы повторяются. При этом импульсы напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на нагрузке будут иметь форму, близкую к прямоугольной (рисунок 6.4, е).
На коллекторном переходе закрытого транзистора действует сумма напряжений источника постоянного тока U0 и э.д.с., индуцированная в коллекторной обмотке закрытого транзистора (см. рисунок 6.4, а), поэтому для успешной работы в инверторе транзисторы должны иметь допустимое напряжение Uкэбольше 2U0. Частота колебаний инвертора с насыщающимся трансформатором в основном определяется конструктивными данными трансформатора и напряжением источника постоянного тока f = U0/(4ω·S·BS). Оптимальная частота колебаний лежит в диапазоне 400-600 Гц. При работе инвертора на повышенных частотах следует учитывать длительность коммутационных процессов, которые зависят от инерционности транзисторов и схемы инвертора. Для приведенной схемы она практически равна времени рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов. Особенностью схемы инвертора является наличие значительных выбросов коллекторных токов транзисторов, возникающих в процессе коммутации. Данный преобразователь применяют при мощностях не более 50-100 Вт, обеспечивая к.п.д. порядка 70-80%. При больших мощностях существенно увеличиваются потери в трансформаторе. Недостатком преобразователя является сильное влияние тока и характера нагрузки на частоту, форму и выходное напряжение.