Соотношения в транзисторном инверторе

Транзисторный инвертор как генератор. Все известные в настоящее время транзисторные инверторы по принципу действия являются генераторами. Из технической электроники известно, что электронный генератор - это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного напряжения в энергию незатухающих электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности. Различают электрические генераторы с

самовозбуждением (автогенераторы) и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности.

Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы несинусоидальных колебаний, которые принято называть релаксационными (импульсными) автогенераторами. Последние находят широкое применение в системах автономного электроснабжения РЭС в качестве вторичных источников питания различного функционального назначения. Благодаря хорошим частотным характеристикам многих типов современных транзисторов (свыше 100 МГц) транзисторные инверторы позволяют получать выходное переменное напряжение в широком диапазоне частот.

Электромагнитные процессы в инверторах. Рассмотрим их на примере широко распространенной схемы двухтактного самовозбуждающегося инвертора (автогенератора Ройера), в котором транзисторы попеременно находятся либо в состоянии насыщения, либо отсечки (рис.5.6,а).

Такой инвертор называют автогенератором с насыщающимся силовым трансформатором.

Рисунок 5.6 - Однофазный двухтактный транзисторный инвертор:

а – электрическая схема; б – временные диаграммы токов,

магнитного потока и напряжения

Основными элементами схемы являются транзисторы VT 1 и VT 2 и трансформатор Т. Резисторы R _Б1 и R _Б2 определяют базовый ток транзисторов. Процесс возбуждения колебаний в схеме происходит следующим образом. При включении источника питания с постоянным напряжением U_d оба транзистора VT 1 и VT 2 открываются и их коллекторные токи i _к1 и i _к2, проходя через обмотки W '₁ и W" ₁, создают в обмотках трансформатора намагничивающие силы, направленные навстречу друг другу. Эти намагничивающие силы

возбуждают в магнитопроводе направленные встречно магнитные потоки.

При полной идентичности параметров транзисторов, симметрии схемы и магнитных характеристик магнитопровода трансформатора суммарный магнитный поток равен нулю и автоколебания в схеме не возникают. Однако в практических схемах такой идентичности никогда не бывает, поэтому из-за несимметричности схемы коллекторный ток одного из транзисторов (например, VT 1 на рис. 5.6,а) будет несколько больше, чем в другом транзисторе - VT 2 (i _к1> i _к2). Возникающая при этом разностная намагничивающая сила создает в магнитопроводе магнитный поток одного направления, который индуктирует во всех его обмотках ЭДС.

Базовые обмотки W _Б1 и W _Б2 включены таким образом, чтобы в рассматриваемом случае на базу транзистора VT 1 поступал отрицательный потенциал, а на базу транзистора VT 2 - положительный потенциал (т.е. чтобы обратная связь была положительной).

В результате переходного процесса транзистор VT 1 (в момент времени t ₀) переходит в режим насыщения, а транзистор VT 2 - в режим отсечки. В результате напряжение источника питания через открытый транзистор VT 1 подключается к обмотке W' ₁ и магнитный поток в магнитопроводе полностью определяется намагничивающей силой этой обмотки. При этом магнитный поток на интервале t ₀ – t ₁ (см. рис. 5.6,б) изменяется по линейному закону, так как приложенное напряжение питания постоянно по величине, и процесс продолжается до тех пор, пока поток не достигнет величины насыщения +Ф _max (или –Ф _max). В этом случае прекращается изменение магнитного потока и ЭДС всех обмоток становятся равными нулю, что сразу же приводит к уменьшению коллекторного тока i _к1 открытого транзистора и, следовательно, к уменьшению величины магнитного потока в магнитопроводе.

Это вызывает изменение полярности наводимых ЭДС во всех обмотках, а значит и процесс переключения транзисторов, так как возникающая ЭДС в базовых обмотках имеет такую полярность, которая способствует запиранию транзистора VT 1 и отпиранию транзистора VT 2 (в момент времени t ₁). При этом источник питания подключается к другой половине первичной обмотки трансформатора W" ₁. На интервале времени t ₁ – t ₂ происходит изменение магнитного потока противоположного знака в магнитопроводе трансформатора до состояния насыщения. В результате на выходе схемы инвертора формируется переменное напряжение u _н прямоугольной формы.

Расчетные соотношения. Несмотря на простоту схемы, ее строгий математический анализ достаточно сложен.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи одной из половин схемы инвертора можно записать:

где R ₁ - активное сопротивление обмотки W' ₁;

U _эк - падение напряжения на переходе эмиттер-коллектор открытого транзистора.

Учитывая, что период колебания выходного напряжения инвертора Т =1/ f, а Ф _max = B_max×S×K _cт, где K _ст - коэффициент заполнения сталью магнитопровода; S - площадь поперечного сечения магнитопровода, запишем формулу для частоты выходного напряжения инвертора (без вывода), соответствующую частоте переключений

.

Из данного выражения видно, что частота переключения t автономного транзисторного инвертора с насыщающимся трансформатором мало зависит от параметров транзисторов, а зависит от величины напряжения питания U_d и параметров трансформатора.