Запуск инверторов с насыщаемым сердечником

May 29, 2010 by admin Комментировать »

Автоколебательная схема с насыщаемым сердечником, несмотря на заме­чательные свойства и хорошие характеристики других типов инверторов, сохраняет фундаментальное значение в полупроводниковых схемах преоб­разования. Связано это, прежде всего, с простотой и экономичностью при­сущими схеме. По мере развития методов проектирования и доступности более совершенных компонент, недостатки этой схемы постепенно стали менее существенными. Хотя принципиальные схемы не подверглись в те­чение прошедшего десятилетия существенным изменения, к.п.д. инвертора и преобразователя с насыщаемым сердечником постоянно улучшался.

Не много пока еще было сказано о проблеме запуска таких инверторов. Занимаясь анализом колебаний, удобно принять, что пуск уже произошел или что для него созданы условия. Допуская это, читатель не отвлекает свое внимание от основного предмета обсуждения. В реальном мире аппа­ратных средств, часто необходимо уделить особое внимание начальному пуску, а также восстановлению колебаний после некритического повреж­дения схемы.

Интересная ситуация показана на рис. 3.1. В этой экспериментальной установке инвертор с насыщаемым сердечником просто выключается при короткозамкнутой нагрузке. Конечно, хорошо, что это так. Оба транзисто­ра возвращаются в состояние «выключен», или в худшем случае в состоя­ние холостого хода с малым значением тока, определяемым цепями смеще­ния. Присущая этой схеме защита надежна, и, при соответствующим образом разработанной схеме, это состояние может сохраняться как угодно долго. Однако когда короткое замыкание удалено, инвертор начнется нор­мально работать. Обратите внимание, что удаление неисправности не выз­вало броска тока в первичной обмотке, какой происходит при первоначаль­ном подключении источника постоянного напряжения. Почему инвертор должен заработать, когда источник постоянного напряжения уже подклю­чен, и Вы просто ликвидируете короткое замыкание в нагрузочной обмот­ке?

clip_image002

Рис. 3.1. Эксперимент, связанный с режимом пуска инвертора.

Схема, приведенная на рис. 3.2А, позволяет понять это явление. На рисунке изображен двухтактный генератор с обратной связью Хартли. Об­ратите внимание на сходство между этой схемой и схемой инвертора на рис. 3.2В. У инвертора нет отдельного конденсатора, подключенного к пер­вичной обмотке с целью образования резонансного контура, но можно учесть наличие паразитной емкости. Резонансная частота такого «колеба­тельного контура» должна быть очень высокой очевидно намного выше частоты прямоугольных колебаний инвертора. Хотя добротность Q такого резонансного контура очень низка, это компенсируется чрезвычайно вы­сокой крутизной мощных транзисторов. Существует еще одна мелочь, ме­шающая предотвратить работу инвертора в режиме высокочастотного гене­ратора с обратной связью. Дело в том, что этот режим работы трудно было уловить из-за его непродолжительности. Чтобы перевести работу схемы в режим переключений требуется относительно немного периодов работы в «линейном» режиме. Заметим, что один транзистор без второго образует асимметричный генератор Хартли. Таким образом, когда на одном транзи­сторе напряжение прямого смещения больше чем на другом, или когда один транзистор включен, а другой выключен, велика возможность воз­никновения описанного выше явления. Именно переходом из режима ко­лебаний с L С контуром в режим переключений начинается работа инверто­ра, когда удаляется короткое замыкание в нафузочной обмотке.

clip_image004

(А) Двухтактный генератор с (В) Схема инвертора с

обратной связью Хартли. насыщаемым сердечником.

Рис. 3.2. Схемы генераторов Хартли: одна предназначенная для высокочастотных колебаний и другая, образованная непреднамерено.

В других схемах инвертора, эквивалентный LC генератор с обратной связью может не быть схемой Хартли. Однако это не изменяет механизма пуска. Имеются и другие обстоятельства, при которых этот кратковремен­ный режим запуска, в виде колебаний LC генератора становится важным. Например, напряжение питания, подаваемое на инвертор, может изме­няться не скачком, а постепенно. Такая ситуация имеет место при наличии фильтра с большой постоянной времени, блокировочных конденсаторов или дросселя фильтра. Кроме того, у некоторых источников питания ис­кусственно сделано медленное изменение напряжения при их включении.

чтобы предотвратить разрушительные переходные процессы в оборудова­нии. Тот факт, что инвертор не всегда нуждается во «встрясках» не всегда оценивается. Возможно, что большинство мер предосторожности, связан­ных с пуском, предназначено для того, чтобы ослабить эффект резкого включения постоянного напряжения. Однако использование транзисторов с высоким коэффициентом усиления способствует поддержанию колеба­ний LC генератора. К счастью, большинство методов, предназначенных для самовозбуждения при резком включении постоянного напряжения, со­здают условия, благоприятные для запуска с использованием кратковре­менных колебаний LC генератора. В любом случае, обычно самая плохая ситуация для пуска наблюдается в случае предельных нагрузок и низких температур.

Четыре часто используемых способа запуска инверторов с насыщаемым сердечником показаны на рисунках с 3.3 по 3.6. Хотя на них изображены схемы с общим эмиттером, те же самые идеи применимы ко всем самовоз­буждающимся инверторам с насыщаемым сердечником. По существу, целью здесь является обеспечение малой величины напряжения прямого смеще­ния, по крайней мере, у одного из транзисторов. На рис. 3.3 напряжение прямого смещения на базах обоих транзисторов формируется с помощью резисторов R1 и R2. Здесь можно возразить: это может привести к тому, что оба транзистора окажутся в тяжелых условиях. Этот случай уже упоминался в предьщущей главе, где было подчеркнуто, что такая ситуация маловероят­но из-за невозможности абсолютного баланса в двух половинах двухтактной схемы. Самое плохое, что может случиться, это возможность возникновения кратковременного состояния, когда одновременно проводят оба транзисто­ра; устойчивой эта ситуация быть не может потому, что напряжение прямого смещения, необходимое для насыщения транзистора, получается в динами­ческом, а не в статическом состоянии схемы. То есть схема должна нахо­диться в состоянии колебания, и, следовательно, не будет зафиксирована в одном состоянии.

clip_image006

Рис. 3.3. Схема, обеспечивающая запуск с одним делителем напряжения для обеих баз. Фирма Motorola Semiconductor Products.

Приблизительные значения R1 и легко вычисляются. Затем опыт­ным путем, изменяя в небольших пределах расчетные величины, добива­ются оптимизации режима запуска инвертора и рабочих характеристик. На­чальное напряжение смеш1ения базы VB для германиевых транзисторов можно принять равным 0,3В, для кремниевых транзисторов приблизитель­но 0,5В. Если задано напряжение питания КСС, то значения R1 и /?2 мож­но получить из уравнения:clip_image008

Далее, выбираем величину /?/, которая не превышает сопротивления, полученного из выражения

гдеclip_image010

Vpg— напряжение на обмотке обратной связи,

— напряжение между эмиттером и базой, необходимое для насыще­ния транзистора,

— результирующий ток базы. Необходимость в такой процедуре вызвана тем, что R1 ограничивает ток базы. Если ток не известен, то в качестве оценки можно взять вели­чину:

clip_image012

где

1р — ток коллектора в режиме полной нагрузки,

^fe минимальный прямой коэффициент усиления по току во всем диапазоне нафузок инвертора.

Обратите внимание, что в основу этих «прикидочных» вычислений по­ложена гарантия того, что ток базы имеет достаточную величину.

Самой лучшей цепью запуска является та, в которой сопротивление резистора R1 настолько мало, что обеспечивает насыщение тока коллектора в наихудшем случае, а сопротивление резистора R2 не меньше величины, необходимой для гарантированного запуска при наихудших условиях. Ре-зисторная цепь будет при этом выполнять свою функцию, рассеивая мини­мальную мощность.

Конденсатор С обычно называют ускоряющим конденсатором. Назва­ние означает, что он способствует ускорению процесса переключения. Дос­тигается это сокращением времени включения транзистора. (Это обычная методика, встречающаяся в цифровой электронике, где важен быстрый от­клик логических элементов. Ускоряющие конденсаторы эффективно нейт­рализуют заряд во входной цепи переключающего устройства.) В инверторе такое ускорение может фактически повысить к.п.д. за счет уменьшения

потерь, возникающих во время нарастания сигнала при переключении. Бы­вает также, что ускоряющий конденсатор способствует улучшению пуско­вых характеристик. Это бывает в том случае, когда при включении инвер­тора постоянное напряжение подается на него скачком. В этом случае ускоряющий конденсатор обеспечивает на базе кратковременный импульс напряжения, создающий прямое смещение. Чтобы быть действительно эф­фективным, ускоряющий конденсатор должен иметь емкость немного больше той, что требуется для сокращения времени нарастания сигнала, когда транзистор включается.

Диодная схема запуска (рис. 3.4) позволяет в первый момент подать на базы транзисторов высокое напряжение прямого смещения. Начальный ток базы ограничен резисторами R1 и R2, После того, как инвертор переходит в режим колебаний, рабочий ток базы определяется напряжением на обмотке обратной связи N3. Это переключение осуществляется автоматически и про­исходит следующим образом. До появления колебаний, на обмотке обратной связи N3 никакого сигнала нет. Ток базы транзисторов течет при этом через резисторы R1 и R2 от источника питания. Диод, смещенный в обратном на­правлении, фактически не включен в эту цепь. После установления колеба­ний диод становится смещенным в прямом направлении и участвует в про­хождении тока базы, который определяется сигналом с обмотки обратной связи. Поскольку обмотка обратной связи представляет собой источник с со­противлением более низким, чем источник постоянного напряжения с после­довательно включенным резистором R2, то обеспечена нормальная работа ин­вертора. То есть ток базы транзисторов определяется в основном напряжением на обмотке обратной связи.

clip_image014

Рис. 3.4. Диодная схема запуска. Фирма Motorola Semiconductor Products.

Сопротивление резистора Rl можно рассчитать так же, как для схемы на рис. 3.3. Сопротивление резистора У?2 много больше, чем резистора RL Не­равенство между R1 и R2 обусловливает автоматический выбор источника базового тока. Фактическую величину R2 можно определить опытным пу­тем. Сопротивление зависит от напряжения источника питания, но величи­на, примерно в десятки раз превышающая сопротивление резистора Rl, вполне разумна в качестве начальной оценки.

Схема запуска инвертора, показанного на рис. 3.5 аналогична схеме на рис. 3.3, за исключением того, что для транзисторов предусмотрены инди­видуальные цепи смещения. Это означает, один транзистор может быть открыт сильнее, чем другой. Это гарантирует предсказуемый пусковой ре­жим. Само по себе, это обычно не имеет существенных последствий. Одна­ко тот факт, что поведение схемы в меньшей степени зависит от несогласо­ванности транзисторных характеристик, делает эту схему запуска надежней. Отмеченные достоинства этой схемы используются в тех случа­ях, когда инвертор должен запускаться с нагрузками типа ламп накалива­ния или двигателей. Расчет сопротивления резисторов R1 подобен процеду­ре, предложенной для схемы на рис. 3.3. Тоже самое справедливо для одного из резисторов, обозначенных как R2. Сопротивление другого резистора R2 можно сделать в несколько раз больше. «Пусковым» транзистором будет тот, который связан с резистором R2, имеющим меньшее сопротивление.

clip_image016

Рис. 3.5. Схема запуска с индивидуапьными делителями напряжения базы.Фирма Motorola Semiconductor Products.

Схема, представленная на рис. 3.6, позволяет иметь высокое напряже­ние прямого смещения, приложенное к транзисторам, до начала колебаний. После того, как начинаются колебания, напряжение, получен­ное при выпрямлении сигнала с дополнительной обмотки трансформатора, значительно снижает это смещение. Уменьшение величины смещения оп­ределяется величиной сопротивления резистора R1. Таким образом, когда в схеме существуют колебания, смещение транзисторов в основном обеспе­чивается обмотками обратной связи. Используя этот метод, сопротивление резистора R2 можно выбрать с точки зрения наилучшего запуска, не сни­жая к.п.д. схемы. Заметим, что до пуска диоды двухполупериодного выпря­мителя не оказывают влияния на схему. Рабочий ток базы можно коррек-

тировать путем изменения сопротивления резистора R1, поскольку оно влияет на величину напряжения, уменьшающего смещение перехода в пря­мом направлении.

clip_image018

Рис. 3.6. Схема запуска с изменяющимся напряжением смещения. Фирма Motorola Semiconductor Products.

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