Транзисторные инверторы

Двухтактные ключевые генераторы, или резонансные инверторы, широко применяются в ЭПУ. Существуют две разновидности двухтактных инверторов – последовательного (рис. 70а) и параллельного (рис. 71а) типов.

Они отличаются формой импульсов тока транзисторных ключей и напряжения на них. Инверторы достаточно эффективно работают на настроенную резонансную нагрузку.

В схеме последовательного типа (рис. 70 а) за счет поочередного отпирания транзисторов напряжение на их коллекторах приобретает форму, близкую к прямоугольной, с размахом импульсов, равным напряжению источника питания E. Этими колебаниями в нагрузочном контуре LCR при достаточно высокой его добротности возбуждается гармонический ток i_н. Полуволны тока i_н поочередно протекают через транзисторы (i_к на рис. 70 б). Остаточное напряжение u_ост на открытых транзисторах повторяет форму импульсов тока. При расстройке нагрузочного контура между первой гармоникой прямоугольного напряжения и током контура возникает фазовый сдвиг j, в результате которого появляются интервалы времени, когда ток при открытом транзисторе имеет обратное направление, что соответствует инверсному режиму его работы (рис. 70 в). Для устранения этого режима транзисторы шунтируют диодами.

В схеме параллельного типа (рис. 71а) транзисторы также поочередно отпираются на время, равное полупериоду частоты.

Поскольку ток дросселя L _д при достаточно большой его индуктивности за период колебаний можно считать неизменным, токи транзисторов приобретают форму прямоугольных импульсов (i_к на рис. 71 б). Этими импульсами возбуждается параллельный нагрузочный контур LCR, и на нем при достаточно большой добротности выделяется напряжение гармонической формы с амплитудой U_{R max}. Напряжения на запертых транзисторах повторяют напряжение на контуре, и, следовательно, имеют вид синусоидальных импульсов с отсечкой 90 градусов, высота которых U_{K max} вдвое больше амплитуды колебаний на контуре U_{K max}. Это объясняется тем, что напряжение U_{R max} изменяется относительно средней точки контура, а U_{K max} – между его концами.

Расстройка нагрузочного контура в схеме параллельного типа приводит к возникновению интервалов времени, в течении которых напряжение на запертых транзисторах должно стать отрицательным, что вызывает преждевременное отпирание или задерживает отключение транзисторов на время нахождения их в инверсном режиме. Эти явления искажают режим работы транзисторов и форму выходного сигнала (рис. 71а). Для устранения инверсного режима последовательно с транзисторами включают диоды.

Количественные соотношения для схем инверторов в устоявшемся режиме выводятся из разложения в ряд Фурье прямоугольных колебаний, которыми возбуждаются контуры. Если добротность контура превышает несколько единиц, влиянием высших гармоник на энергетические характеристики можно пренебречь.

Формулы расчета инверторов и их основные характеристики приведены в следующей таблице:

При расчете инверторов на заданное использование транзисторов по току и напряжению данные этой таблицы позволяют определить напряжение источника питания E, потребляемый ток I₀, КПД и амплитуду напряжения на нагрузочном сопротивлении U_н. По этим данным находят потребляемую мощность P₀, мощность в нагрузке P_~ и сопротивление нагрузки:

P₀ = EI₀; P_~ = P₀ h; R = U_н² /2 P_~.

При расчете на заданную мощность определяют напряжение питания, исходя из формул таблицы и максимального рабочего напряжения предлагаемого к использованию транзистора. Далее, приняв h»0,9, находят P₀ и. I_{K max}. Если при этом окажется, что I_{K max} > i_доп, следует выбрать другой тип транзистора, либо применить параллельное соединение транзисторов.

Остаточное напряжение вычисляют по формуле u_ост = I_{K max} /S_гр (при параллельном соединении транзисторов u_ост = I_{K max} /nS_гр). Затем уточняют КПД и определяют значения P_0, I₀; U_н и R.

Следует отметить, что при полном (одинаковом) использовании транзисторов по току и напряжению обе схемы обеспечивают примерно одинаковую мощность, однако КПД параллельной схемы оказывается ниже. При заданном напряжении источника питания и когда оно значительно меньше допустимого для транзистора E < e _доп/p схема параллельного типа позволяет получить большую мощность (приблизительно в три раза) и более высокий КПД по сравнению с последовательной при одинаковом использовании транзисторов по току.