7. Преобразователи напряжения постоянного тока

7.1. Схемы преобразователей

Преобразователем (конвертором) называют такой вторичный источник питания, который, потребляя электрическую энергию от некоторого первичного источника постоянного тока при одном напряжении, создает на своем выходе тоже постоянный ток, но с другим напряжением. Применяют преобразователь, в частности, для питания высоковольтных нагрузок от низковольтного источника.

Современный преобразователь, как правило, имеет не один, а несколько выходов, на которых он позволяет получать от источника постоянного тока со свойственным ему номиналом напряжения (одним) различные номиналы напряжений. Преобразователь применяют и тогда, когда напряжения первичного источника и нагрузки одинаковы. В этом случае преобразователь на выходе создает напряжение, совпадающее по номиналу с входным, но отличающееся от него большей стабильностью, лучше поддающееся регулировке и т. д.

Структурная схема полупроводникового преобразователя напряжения (Рис. 7.1) включает в себя полупроводниковый инвертор И, преобразующий постоянный электрический ток в переменный, трансформатор Тр, повышающий или понижающий напряжение переменного тока до желаемой величины, выпрямитель В, преобразующий переменный ток вновь в постоянный, фильтр Ф, ряд вспомогательных устройств ВУ, служащих для стабилизации, регулировки, защиты и т. д.

Ш ирокое применение преобразователей в современных вторичных источниках питания радиоаппаратуры объясняется высокой степенью насыщенности Рис.7.1. Структурная схема

радиотехническими полупроводникового преобразова-

средствами различных теля напряжения

подвижных аппаратов, в которых автономными первичными источниками энергии являются источники постоянного тока (солнечные батареи, топливные элементы, химические источники и др.). Такие источники успешно отдают в нагрузку электрическую энергию только при некотором, свойственном каждому из них выходном напряжении и не обеспечивают достаточной его стабильности.

Напряжение питания радиоэлектронной аппаратуры, являющейся нагрузкой для первичного источника, выбирают чаще всего из других исходных соображений (обеспечение режимов транзисторов, отдачи ими необходимой мощности в нагрузку, получение нужного размаха колебаний напряжений сигналов и т. д.). Оно, как правило, не совпадает с напряжением, получаемым от первичного источника ни по номиналу, ни по стабильности.

Объединяя ряд однородных первичных источников в батарею, можно сблизить номиналы выходного напряжения источника и напряжения, требуемого для питания нагрузки. Но такое решение, во-первых, не приводит к повышению стабильности напряжения питания и, во- вторых, приемлемо только при согласовании одного первичного источника с одной нагрузкой.

Если необходимо обеспечить питание комплекса нагрузок, образующих радиосистему или ее часть, от нескольких разнородных первичных источников, то наиболее удобным способом оказывается применение преобразователя напряжения. Полупроводниковые преобразователи в настоящее время вытеснили электромашинные, вибрационные, тиратронные и ламповые преобразователи. Только в высоковольтных маломощных установках можно еще встретить ламповый преобразователь.

Полупроводниковые приборы в инверторах работают в режиме переключения. Такой режим позволяет относительно маломощным транзисторам управлять достаточно большой мощностью в нагрузке. Чтобы заставить транзисторы работать в режиме переключений (ключевой режим), необходимо обеспечить соответствующую величину и форму управляющих, импульсов базового тока.

Я рче всего полезные качества транзисторного инвертора проявляются в двухтактной схеме (Рис.7.2,а). В ней трансформатор не подмагничивается и обеспечивается непрерывный отбор мощности от первичного источника. Транзисторы Т1 и Т2, насыщаясь поочередно, подключают источник первичного напряжения то к правой, то к левой первичным полуобмоткам трансформатора. На

вторичной обмотке Рис.7.2. Транзисторный инвертор

возникает ЭДС прямоугольной формы, амплитуда которой во столько раз больше Еп, во сколько раз число витков во вторичной обмотке больше числа витков в первичной полуобмотке. При идеальной прямоугольной форме выходного напряжения инвертора (Рис.7.2,б) выпрямленное напряжение практически не требует фильтрации. В реальных схемах необходимо предусматривать фильтр, который в состоянии сглаживать узкие провалы, возникающие в выпрямленном напряжении из-за неидеальности фронтов импульсов переменного напряжения.

В регулируемых инверторах прибегают к изменению длительности импульсов. Форма выходного напряжения при этом (Рис. 7.2,в) имеет нулевую паузу. В транзисторном инверторе такая форма напряжения достигается выключением транзистора до истечения полупериода генерируемого инверто­ром переменного напряжения. Для этого длительность отпирающих импульсов базового тока должна быть меньше полупериода. Находят применение два способа включения транзисторов в схему инвертора. В одном из них (Рис.7.2,а) общими электродами двух транзисторов являются эмиттеры, а во втором (Рис.7.3) — коллекторы. В первой схеме проще цепи управления, а во второй проще размещение транзисторов на радиаторе, служащем для отвода тепла.

Схемы (Рис.7.2,а) и (Рис.7.3) представляют собой силовую часть инвертора с независимым (внешним) возбуждением. Напряжение, управляющее переключением транзисторов, подается на них извне, от специального генератора, также входящего в состав инвертора.

Транзисторные инверторы с независимым возбуждением, называемые еще усилителями мощности, применяют для получения выходной мощности переменного тока от 20—50 до 500 Вт. При большей выходной мощности, особенно при большом первичном напряжении, применяют тиристорные инверторы.

При выходной мощности менее 20—50 Вт лучшие показатели обеспечивают схемы инверторов с самовозбуждением (Рис.7.4). В них переключение транзисторов производится напряжением, снимаемым с обмоток Обратной связи с числом витков W₂. Их же часто применяют и как возбудители для управления транзисторами усилителя мощности.

В электрическом выпрямителе цепи переменного и постоянного токов связаны между собой вентилями. Поэтому характер нагрузки выпрямителя, стоящего в преобразователе, а именно характер реактивности нагрузки, включенной в цепь постоянного тока, сказывается на процессах, протекающих в самом инверторе, т.е. в. цепях переменного тока. По этой же причине процессы, протекающие в выпрямителе, во многом определяются элементами цепи переменного тока т. е. инвертором.

Рис.7.3. Включение тран- Рис.7.4. Схема инвертора с

зисторов с общим коллектором самовозбуждением

Таким образом, правильное представление о формах и величинах токов, протекающих через обмотки трансформатора, транзисторы инвертора, выпрямительные диоды, можно получить, рассмотрев весь преобразователь в совокупности. При этом следует иметь в виду, что частота переключений в современных инверторах достигает десятков килогерц и существенный вклад в процессы, протекающие в силовой цепи преобразователя, вносят паразитные параметры узлов и деталей, входящих в преобразователь. Так, при частотах переключения, больших нескольких килогерц, следует учитывать такие паразитные параметры, как индуктивность рассеяния и межвитковую емкость трансформатора, индуктивность и сопротивление потерь конденсаторов, время включения и отключения транзисторов и диодов, некоторые монтажные емкости и индуктивности соединительных проводников.

Названные паразитные элементы компонентов преобразователя определяют в значительной мере и уровень высокочастотных помех, создаваемых преобразователем и попадающих в его выходную цепь. В некоторых случаях относительно высокий уровень высокочастотных помех заставляет отказаться от выгодного с энергетической точки зрения преобразователя, работающего на повышенной частоте, и применить менее выгодные способы получения стабильного и высоконадежного электропитания.

Проектирование и расчет полупроводникового преобразователя напряжения — задача сложная и многогранная. На характеристики преобразователя существенное влияние оказывает инерционность процессов переключения транзисторов и диодов. Рассмотрим процессы, протекающие в преобразователе раздельно.

Выделим сначала те процессы, на которые инерционность транзисторов не оказывает влияния. Назовем их линейными. В течение линейного процесса один из транзисторов двухфазного инвертора насыщен, т.е. является линейным сопротивлением, а другой находится в состоянии отсечки. Магнитный поток в сердечнике трансформатора сравнительно медленно меняется под действием первичного источника. Изменение токов в схеме происходит только под влиянием энергии, накопленной в реактивных элементах, имеющихся в схеме, а если их нет, то токи в течение линейного процесса не меняются.

Затем рассмотрим процессы коммутации, в течение которых под влиянием транзисторов происходит изменение полярности выходного напряжения инвертора. Скорость и направление изменений токов во время процесса коммутации определяется не только реактивными элементами схемы, но и нелинейными элементами — транзисторами инвертора и диодами выпрямителя. Поскольку условия отключения и включения транзисторов и диодов в разных схемах инверторов и для разных схем выпрямителей различны, и процессы коммутации получаются также различными, целесообразно рассматривать процессы коммутации отдельно для каждой схемы преобразователя. В линейных процессах, наоборот, для различных схем инверторов имеется много общего.

Еще одной причиной, обусловливающей значительное внимание к коммутационным процессам, является то, что в современных преобразователях, работающих на повышенной частоте, процессы коммутации составляют заметную часть" периода. -Поэтому расчеты, в которых не учитываются эти процессы, а предполагается мгновенное переключение нелинейных элементов схемы, дают малую точность.