крытого транзистора равен току, трансформирующемуся в нагрузку, т. е. г'к = /кт

После запирання ранее открытого транзистора начнется второй этап линейного процесса - спад индукции в сердечнике трансформатора. Длительность этого этапа Т как и первого, определится про- тяженностью крутого участка петли гистерезиса, ибо при спаде индукция уменьшится от до -Bs (рис. 13.16, в). Время запирания и отпирания транзисторов, в течение которого индукция меняется от В„, до Bs, как правило, мало в сравнении с величиной полупериода, поэтому спадание индукции от значения -{-Bs до -В^ практически определяет величину полупериода напряжения, генерируемого инвертором - Т. Отсюда можем записать

Т, dB/dt2Bs, (13.39)

что совместно с (13.52) дает

f 1/(27,) = (£ - U.WySBs) Ej{4w,SBs). (13.40)

Частота колебаний инвертора с насыщающимся трансформатором определяется в основном конструктивными данными трансфюрматора и величиной напряжения питания. При расчете частоты переключений инвертора, работающего на повышенной частоте, следует учитывать длительность коммутационных процессов Т^. В этом случае

f=l/[2(r, + rj]. (13.41)

Длительность коммутационных процессов зависит от инерционности транзисторов и от схемы инвертора. Для рассматриваемой схемы она практически равна времени рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов.

Одной из особенностей рассматриваемого инвертора является возникновение значительных выбросов коллекторных токов транзисторов, возникающих в процессе коммутации. Оценить величину этих выбросов hm (рнс. 13.16,.а) можно следующим образом.

Поскольку именно из-за роста коллекторного тока транзистор в этой схеме инвертора выходит из насыщения, а ток базы при этом остается постоянным, то при увеличении тока коллектора в раз (кф - фактический коэффициент насыще1шя транзистора) транзистор окажется на границе режима насыщения и активного режима. Таким образом,

/Km = VKu. (13.42)

Раньше было показано, что значение кф может достигать пяти- восьми, а иногда и больше десяти. Поэтому выброс может почти на порядок превышать нормальное значение коллекторного тока.

Для успешной работы в инверторе транзистор должен иметь допустимое напряжение большее двух и допустимый коллекторный ток, больший (5 8) /кн- Это приводит к излишне большой установочной мощности транзисторов в сравнении с мощностью, отдаваемой инвертором в нагрузку.

Уменьшить величину выбросов коллекторного тока можно, изменив принцип переключения транзисторов. В рассмотренной схеме

транзисторы переключаются послеимпульсом, т. е. благодаря энергии, запасенной в сердечнике трансформатора. Если в схему самовозбул<-дающегося инвертора включить второй трансформатор Тр, (рис. 13.17), то можно основной (силовой) трансформатор Тр сделать ненасыщаю-щимся. Переключаться транзисторы в такой схеме будут из-за насыщения трансформатора Тр который и называется - переключающим.

Обычно напряжение на первичной обмотке этого трансформатора U, выбирается меньшим, чем напряжение, снимаемое с обмотки W3. Поэтому резистор Rr, ограничивает ток в первичной обмотке насыщающегося трансформатора. При ограничении тока в первичной цепи и насыщении сердечника трансформатора ток вторичной обмотки, т. е. ток базы ранее открытого транзистора, спадает до нуля. Транзистор начинает запираться, что приводит в свою очередь к уменьшению напряжения на первичной обмотке силового трансформатора Tpi. Спад напряжения на первичной обмотке вызовет уменьшение как напряжения на обмотке w, так и тока, протекающего через резистор R и первичную обмотку трансформатора Тр,.-

Уменьшение тока насыщающего сердечник трансформатора приведет к появлению на его вторичных обмотках напряженпй с полярностью, противоположной существовавшей ранее. Начавший запираться транзистор при этой смене

полярности напряжения на всех обмотках силового трансформатора запрется полностью, а ранее запертый перейдет в режим насыщения. Поскольку выход транзисторов из насыщения в этой схеме инвертора начинается с уменьшения тока базы, то рассасывание заряда неосновных носителей в базе открытого транзистора не приводит к возникновению выбросов коллекторного тока.

Более детально преимущества инвертора с промежуточным насыщающимся трансформатором, так же как и расчетные соотношения, будут приведены в следующем параграфе. Здесь ограничимся определением частоты переключения инвертора. По аналогии с (13.52) можно представить длительность процесса перемагничивания переключающего трансформатора Тр,:

T, = T ,p = 2w,iBs,S,/U (13.43)

где и, - напряжение на первичной обмотке Тр а 12.5.2 и S, - его конструкпшные параметры.

После этапа перемагничивания протекает этап рассасывания заряда неосновных носителей в базе силового транзистора. Длительность его равна Тр.. Сумма длительностей двух этапов равна длительности

Рис. 13.17

полупериода переменного напряжения,. генерируемого инвертором. Поэтому частота колебаний инвертора с переключающим трансформатором

2(Гпер + Гр.,) 42iS,2+Wp.t

Время рассасывания у современных транзисторов составляет доли или единицы микросекунд. Из-за этого в низкочастотных инверторах при подсчете частоты вторым слагаемым в знаменателе последней формулы пренебрегают. Однако при частоте переключений, равной нескольким десяткам килогерц Тр составляет заметную часть полупериода и его учет обязателен.

В первой из рассмотренных схем инверторов длительность процесса переключения, а следовательно, и длительность фронтов генерируемых колебаний определяется целиком инерционностью транзисторов. Во.второй схеме она зависит от постоянной времеди транзистора и . индуктивности трансформатора Трз-При насыщении сердечника трансформатора ток его вторичной обмотки, являющийся током базы запирающегося транзистора, спадает по экспоненте [см. (13.50)1 с постоянной времени т = L G, причем в данном случае G = [i/Rs + l/Re) и

L = ixwlS2/k, (13.45)

0 а„ 0

Рис. 13.18

где р„ - проницаемость насыщенного сердечника.

Сопротивление Rq - это сопротивление резисторов R, пересчитанное в первичную обмотку Тр2-

Скорость спадания тока коллектора ранее открытого транзистора зависит от постоянных времени трансформатора т и транзистора т,. Будем в дальнейшем считать, что т < 0,3-т, и для транзистора такой быстрый спад тока базы равносилен скачку. Поэтому коллекторный ток, ток транзистора во второй схеме, будет спадать со скоростью, определяемой постоянной времени транзистора.

Если же соотношение постоянных времени обратное, т. е. т, < 0,3 т, то время рассасывания и.скорость спада коллекторного тока транзистора будут определяться индуктивностью трансформатора при насыщенном сердечнике, сопротивлениями, стоящими в цепи возбуждения транзисторов. Поэтому в последующих выкладках для такого соотношения постоянных времени следует заменить, на т.

Ускорить процесс переключения можно, зашунтировав один из резисторов делителя напряжения в базовой цепи конденсатором С (рис. 13.18). Заряд, накопленный в конденсаторе за линейную часть процессов, приводит к форсированному запиранию ранее открытого транзистора, что и ускоряет процесс переключения. Коммутационные потери мощности при этом уменьшаются из-за сокращения длительности перегрузки транзистора экстремальными токами.

--С V.

§ 13.6. Самовозбуждающийся инвертор в преобразователе

Рассмотренные в § 13.5 линейные процессы в основном повторяются и при работе инвертора на такую.нелинейную нагрузку, как выпрямитель. Однако в коммутационцых процессах появляются новые моменты, связанные с инерционностью диодов выпрямителя.

Показатели преобразователя,

в котором применены инверторы с насыщающимся трансформатором, .получаются удовлетворительными только при- относительно низких частотах переключения. Связано это с тем, что коммутационные всплески коллекторных токов растягиваются на время переключения диодов выпрямителя. При коротком периоде колебаний их длительность относительно велика, из-за этого снижается к. п. д. преобразователя, так как становятся большими потери в транзисторах. Хорошие показатели на повышенной частоте получаются у преобразователя, включающего в себя инвертор с ненасыщающнмся силовым трансформатором. В схему преобразователя рис. 13.19, о включен инвертор с переключающим трансформатором, где к. п. д., несмотря на дополнительные потери мощно: сти в трансформаторе Тр и ограничительном резисторе R, получается большим, чем у схемы, содержащей инвертор с насыщающимся силовым трансформатором.

В схему рис; 13.19, а-да; включены диоды Дз и д4, которые препятствуют появлению значительных положительных запирающих напряжений на базах транзисторов. Включаются они лишь в тех случаях, если напряжения, снимаемые со вторичных обмоток переключающего трансформатора, больше допустимого запирающего напряжения база-эмиттер для транзистора силовой цепи инвертора. Поскольку высокочастотные транзисторы имеют, как правило, малое допустимое напряжение база-эмиттер, то в инверторах, работающих на повышенных частотах, включение защитных диодов встречается в большинстве случаев.

к

W§

3 w/

0

Рнс. 13.20

Делитель напряжения, состоящий из резисторов Ri и R только облегчает запуск инвертора, на протекающие в нем установившиеся процессы не сказывается. В проводимом рассмотрении такой делитель не учитывается.

Начнем рассмотрение процессов, протекающих в схеме инвертора, с момента насыщения переключающего трансформатора. Пусть это происходит при t = 0. При этом напряжение возбуждения ранее открытого транзистора пропадает. Поскольку индуктивность насыщенного трансформатора мала, можно считать, что спадает напряжение возбуждения скачком. Однако запирание транзистора происходит не мгновенно. В принятой ранее модели транзистора процесс запирания был описан выражением (11-7). В данном случае в отличие от ситуации, рассмотренной в § 11.1, ток базы на этапе рассасывания не инвертируется, т. е. ток /б = О, и поэтому ток ir спадает по экспоненте с постоянной времени т..

, Пока ток ir больше ij, происходит рассасывание заряда неосновных носителей в базе ранее открытого транзистора. Во время этого процесса ток коллектора транзистора возрастает из-за роста тока, протекающего через резистор R. До насыщения переключающего трансформатора Тр, через резистор R протекал ток /д = {Ui - V,)/r3, а после насыщения течет ток /3 = Uy/Rg, Таким образом, увеличение тока коллектора транзистора' будет равно

Обычно возрастание тока коллектора на этапе рассасывания заряда неосновных носителей ограничивают 10-20%, т. е. обеспечивают

/кт = /кн(1.1-1,2). (13.47)

Процесс рассасывания в транзисторе заканчивается в тот момент, когда уменьшающийся ток ir окажется в (3 раз меньше тока h что в соответствии с (11.8) дает условие для определения времени рассасывания транзистора .

e%-/ = V(l.l-1.2)==4. (13.48)

где = /бтР ,<н - фактическая степень насыщения транзистора инвертора.

При t > Гр. ток коллектора начинает уменьшаться, следуя за током ir- Вместе с ним уменьшается и ток бывшего ранее открытым днода выпрямителя. В базе диода происходит рассасывание заряда неосновных носителей. Ток, протекающий через диод на этом этапе, можно определить на основе моделирующей схемы рис. 13.20. В ней источник тока представляет ток коллектора запирающегося транзистора, который при t > Грт равен

/к = /кне-/т = / ,е- (-р.т)Ат = 1, е-\ (13.49)

сопротивление Rr = Rwrjwl - является пересчитанным в выходную обмотку силового трансформатора Тр сопротивлением резистора 3; индуктивность - это индуктивность рассеяния Тр.

Если принять емкость конденсатора большой, т. е. допустить, что при разряде напряжение на этом конденсаторе остается равным До, то для тока диода

т,е т -те

R, + ru

(13.50)

где т = LJ{Rz -j- Гц) - постоянная времени цепи.

Уменьшаясь, ток диода стремится к значению, определяемому последним членом полученной формулы, т. е. величине, зависящей от сопротивления! резистора R. Последняя, как правило, значительно больше величины сопротивления нагрузки выпрямителя. Поэтому ток, определяемый последним членом в (13.50), значительно меньше - выпрямленного тока 1.

Таким образом, рассасывание неосновных носителей заряда в данной схеме преобразователя происходит при относительно медленном понижении тока диода от значения /ц до некоторого отрицательного значения, близкого к -IqRJR, которое по своей абсолютной величине заметно меньше прямого тока, текущего через диод. Расчет времени рассасывания неосновных носителей заряда в диоде при токе, определяемом в (13.50), дает неудобные для практики соотношения. Поэтому при проектировании рассматриваемого преобразователя с малоинерционными диодами (Тд < т^; т) принимают, что процесс рассасывания длится столько же, сколько и процесс спада тока, определяемого (13.50), т. е. считают

Гр.д = (2-3)т1,

(13.51)

где Tl - наибольшая из постоянных времени и т.

Такое грубое определение времени рассасывания не вносит большой неопределенности при проектировании, так как точность остальных данных, используемых в расчете, невелика.

Таким образом, ток диода станет равным нулю чуть раньше, чем ток транзистора. До момента запирания диода конденсатор выпрямителя оставался подключенным к выходной обмотке силового трансформатора Тру, поддерживал на ней напряжение, практически равное выпрямленному. Следовательно, на всех остальных обмотках поддерживалось напряжеиие, близкое к тому, которое создавал ранее первичный источник Е„, действуя через открытый транзистор. Это приводило в CBOia очередь к тому, что напряжение коллектор-эмиттер запирающегося транзистора было мало.

После запирания диода напряжение на обмотках трансформатора Тру спадает. Вместе с ним спадает напряжение на первичной обмотке трансформатора Тр,. Размагничиваясь, сердечник переключающего трансформатора создает на обмотках возбуждения послеимпульс, отпирающий ранее запертый транзистор. С его насыщением на выходной обмотке Tpi устанавливается вторая полуволна переменного напря-

10 л. и. ИьаиовЦыганов