Детальный анализ формы колебаний

May 29, 2010 by admin Комментировать »

Разработанная теория колебаний дает удовлетворительное объяснение ос­новных характеристик работы инвертора с насыщаемым сердечником. Су­ществует, однако, специфический побочный эффект, присущий реальным устройствам. Этот эффект состоит в образовании бросков напряжения, которые накладываются на основные колебания напряжения. Эти всплес­ки могут быть очень узкими на фоне меандра частотой 60 или 400 Гц и могут быть даже незаметны, если использовать низкочастотный осциллог­раф. Однако присутствие этих выбросов часто является причиной разру­шения транзисторов. Иногда выдвигается аргумент, что содержащаяся в этих бросках энергия не существенна, если температура транзистора не высока. Однако существует много доказательств, подтверждающих, что даже если эти броски не вызывают немедленного разрушения, они приво­дят к ухудшению параметров транзистора и возможно к их полному раз­рушению. Доказано, что броски напряжения могут разрушать транзистор без какого-либо заметного повышения температуры его корпуса. Броски напряжения являются дополнительным источником радиочастотных по­мех. Очень желательно принять такие конструкторские решения, которые устраняют или офаничивают причину образования бросков.

Броски напряжения являются результатом высокой скорости изме­нения тока в схемах с индуктивными элементами. Если бы трансформа­торы инверторов были идеальны и переключение было мгновенным, то транзисторы не почувствовали бы никакого влияния индуктивности при выключении. Происходит это потому, что вторая половина трансформа­тора замыкается в этот момент другим транзистором. На практике же выключающийся транзистор прерывает свой ток через эквивалентную индуктивность рассеяния, присущую всем реальным трансформаторам. На рис. 2.4А добавлены индуктивности I, имитирующие действие индук­тивности рассеяния трансформатора. Индуктивность рассеяния являет­ся следствием неполной электромагнитной связи между обмотками, или между отдельными витками одной обмотки. Помимо индуктивности рас­сеяния, еще один эффект дает вклад в образование бросков напряжения. Это эффект увеличения тока коллектор-эмиттер перед выключением.

Основную причину, по которой в инверторах нежелательно иметь броски напряжения, часто понимают неверно. Хорошо известно, что при резком прекращении тока в катушке индуктивности возникает напряжение самоиндукции или э.д.с. Это кратковременное напряже­ние имеет величину прямо пропорциональную скорости выключения тока и величине индуктивности в цепи прохождения тока. Так, если батарею, катушку индуктивности и рубильник соединить в простей­шую последовательную цепь, то можно получить видимый дуговой разряд между контактами рубильника при его выключении. (Эти брос­ки напряжения используются в системах зажигания). Такой же про­цесс должен происходить и в инверторах с насыщаемым сердечником. Однако возникающие всплески были бы более мягкими, если бы ска­занное было единственной причиной. Броски напряжения, возникаю­щие в этом процессе, ограничиваются «шунтирующим» действием противоположного транзистора. Например, когда транзистор Q1 на рис. 2.4 выключается, образуется бросок напряжения. Но включение транзистора Q2 создает короткое замыкание в нижней половине об­мотки с центральным отводом. Эта короткозамкнутая цепь имеет электромагнитную связь с верхней половиной обмотки и поэтому уменьшает амплитуду формируемого броска напряжения.

Это объяснение предполагает, что переключение происходит мгно­венно, что транзистор во включенном состоянии идеально замыкает цепь и что имеется полная электромагнитная связь двух секций обмотки с цен­тральным отводом. Даже после того, как сделаны всевозможные скидки на не идеальность компонентов, все же необходимы дополнительные со­ображения, чтобы объяснить большую амплитуду бросков напряжения. Эмпирические наблюдения показывают, что трансформатор с большой индуктивностью рассеяния явно увеличивает амплитуду всплесков. По­этому можно сделать вывод, что индуктивность рассеяния подавляет шун­тирующее действие открывающегося транзистора; это естественно приво­дит к увеличению бросков напряжения.

clip_image002

(A) Эквивалентная схема

clip_image004

Окрестность т С на петле гистерезиса

(В) Осциллограммы сигналов

clip_image006

(С) Петля гистерезиса

Рис. 2.4 Возникновение всплесков напряжения в инверторе с насыщае­мым сердечником

Однако еще один опытный факт приводит к более правильному объяснению. Инвертор с насыщаемым сердечником должен иметь доста­точно сильную обратную связь, чтобы поддерживать транзисторы в состо­янии насыщения в то время, когда они открыты. Легко показать, что броски напряжения становятся больше при увеличении тока базы. Таким образом, индуктивность рассеяния совместно с эффектом, связанным с увеличенным током базы ответственны за исследуемое явление.

Рассмотрим форму коллекторного тока. На рис. 2.4В осциллограмма коллекторного тока имеет вид наклонной прямой с резким подъемом в конце. (Эта форма коллекторного тока соответствует работе инвертора без нагрузки. Для наших целей удобно иметь дело с таким режимом ра­боты. Однако полученные нами объяснения изменятся несущественно, если инвертор будет подключен к нагрузке.) Резкое изменение наклона кривой коллекторного тока совпадает с моментом возникновения насы­щения в сердечнике. Этого и следовало ожидать, потому что скорость роста тока в катушке индуктивности определяется величиной индуктив­ности, подключенной к источнику напряжения. В катушке индуктивно­сти с ферромагнитным сердечником величина индуктивности сильно зависит от магнитной проницаемости сердечника. В частности, прони­цаемость велика в линейной области петли гистерезиса (см. рис. 2.4С). Когда достигается насыщение, проницаемость падает до относительно малой величины. Поэтому источник напряжения, который первоначаль­но был подключен к устройству с высоким значением индуктивности, внезапно «видит» значительно меньшее значение индуктивности. Это приводит к резкому повышению скорости возрастания тока.

Эта ситуация хорошо объясняется соотношением Е = L di/dt. Оно обычно используется, чтобы пояснить появление напряжения вслед­ствие изменения тока в индуктивности. Однако оно также показывает, что если Е представляет постоянное напряжение, приложенное к ка­тушке индуктивности (L), то появляется ток с постоянной скоростью нарастания. То есть, осциллограмма тока будет иметь вид наклонной прямой с постоянным наклоном. Поэтому, если величину L внезапно уменьшить (как это случается при насыщении сердечника), то скорость изменения тока должна увеличиться, чтобы удовлетворялось равенство, зафиксированное в приведенном соотношении. Это объясняет два на­клона в осциллограмме коллекторного тока, показанной на рис. 2.4.

На первый взгляд явление, описанное выше, может показаться не­существенным. В конце концов, способность транзисторов выдержи­вать большие импульсные токи коллектора не представляет особой проблемы, а имея транзисторы с достаточно высоким коэффициентом усиления, нетрудно просто немного увеличить ток базы транзистора, чтобы приспособиться к «токовому голоду» трансформатора. Это спра­ведливо лишь отчасти. К сожалению внезапный бросок тока проходит через эквивалентную индуктивность рассеяния трансформатора (L на рис. 2.4 А). Используя выражение Е = L di/dt еще раз, мы видим, что формируется кратковременное напряжение. Необходимо помнить, что величина индуктивности рассеяния L существенно меньше, чем индук­тивность первичной обмотки трансформатора до насыщения. И имен­но поэтому новая скорость изменения тока di/dt, может быть очень высокой.

На практике, при конструировании инвертора весьма непросто под­держивать индуктивность рассеяния на низком уровне. Лучшие резуль­таты получаются обычно при использовании тороидальных сердечников и обмоток с бифилярной намоткой. Обычно после того, как сконструи­рован трансформатор, лучший из возможных при заданных финансовых и производственных ограничениях, базовый ток транзисторов выбирает­ся немного больше тока, необходимого для работы с номинальной на­грузкой. При такой методике не используется полная токовая нагрузка трансформатора. Это в значительной мере снимает остроту проблемы бросков напряжения, ввиду того, что в дальнейшем они могут быть уменьшены как по амплитуде, так и по энергии. Часто, даже после того как все возможное было сделано и с конструкцией трансформатора, и с током базы транзисторов, броски напряжения все еще могут угрожать транзисторам. Иногда можно выбрать транзисторы с достаточно боль­шим запасом по пробивному напряжению. Но такое средство может оказаться дорогостоящим. Не следует забывать, что характеристики транзисторов сильно взаимосвязаны. Акцент на одном из параметров приводит к ухудшению других. Если же попытаться выбрать транзисторы с очень высоким пробивным напряжением, с требуемой скоростью пе­реключения, коэффициентом передачи по току и т. д., то стоимость при таком подходе с позиции «грубой силы» становится непомерно высокой. В любом случае остается беспокойство за поведение нагрузки при этих всплесках. Лучше всего попытаться уменьшить их.

В базовую схему инвертора могут добавляться различные демпфиру­ющие и амортизирующие цепи, чтобы ослабить броски напряжения, ос­тающиеся несмотря на необходимые меры, принятые при конструкции трансформатора и выборе обратной связи или тока базы. Эти цепи будут рассмотрены в следующей главе. Здесь же достаточно заметить, что они обычно не могут скомпенсировать ошибки, связанные с небрежным расчетом. Если трансформатор недостаточно хорош, и/или ток базы слишком велик, применение такой цепи может вызвать ухудшение дру­гих рабочих характеристик.

Другие решения проблемы бросков напряжения предполагают ис­пользование иных типов инверторов, отличающихся от двухтранзистор-ного однотрансформаторного типа, рассматриваемого до сих пор. Из того,^ что мы увидели на примере простого инвертора с насыщаемым сердечником, мы приходим к предположению, что проблема всплесков была бы смягчена, если бы выходной трансформатор работал в линей­ном режиме, а не в режиме насыщения. Такое подход подразумевает на­личие противоречивых требований, но он возможен, хотя и ценой ус­ложнения и удорожания конструкции.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты