V autonomních přenosných a mobilních rádiových zařízeních, která spotřebovávají relativně málo energie, se jako zdroje elektřiny používají nízkonapěťové zdroje stejnosměrného proudu pracující nezávisle na vnější síti: galvanické články, baterie, termogenerátory, solární a jaderné baterie. Někdy je pro provoz rádiového zařízení nutné převést stejnosměrné napětí jedné jmenovité hodnoty na stejnosměrné napětí jiné jmenovité hodnoty. Tuto úlohu plní různé stejnosměrné měniče, a to: elektrický strojní, elektromechanický, elektronický a polovodičový.
V polovodičovém měniči se energie stejnosměrného proudu přeměňuje na energii obdélníkového impulsu pomocí spínacího zařízení. Hlavními prvky tohoto zařízení jsou tranzistory a tyristory MOS FET a IGBT. Nazývají se měniče se střídavým výstupem střídače. Pokud je výstup měniče připojen k usměrňovači, který obsahuje antialiasingový filtr, pak výstup zařízení tzv. konvertor, můžete získat konstantní napětí Uout, které se může výrazně lišit od vstupního napětí UBX,, těch. Převodník je druh transformátoru konstantního napětí.
Při vysokém napájecím napětí, stejně jako při absenci omezení hmotnosti a objemu, je racionální použít tyristory pro převodníky. Polovodičové měniče na bázi tranzistorů a tyristorů se dělí na neregulované a nastavitelné, přičemž tyristory se používají také jako stabilizátory stejnosměrného a střídavého napětí.
Podle způsobu buzení kmitů v převodníku Existují obvody se samobuzením a s nezávislým buzením. Samobuzené obvody jsou pulzní samooscilátory. Nezávisle buzené obvody se skládají z hlavního oscilátoru a výkonového zesilovače. Pulzy z výstupu hlavního oscilátoru vstupují na vstup výkonového zesilovače a řídí jej.
1. Samobuzené měniče
Samobuzené měniče pracují s výkonem až několik desítek wattů. V rádiových zařízeních našly uplatnění jako nízkopříkonové autonomní zdroje napájení a jako hlavní oscilátory výkonných měničů Blokové schéma samobuzeného měniče je na Obr. 1.
Rýže. 1. Blokové schéma samobuzeného měniče napětí
Na vstup převodníku je přiváděno konstantní napájecí napětí UBX. V samooscilátoru se stejnosměrné napětí přeměňuje na napětí ve formě obdélníkových impulsů.
Obdélníkové pulsy pomocí transformátoru mění amplitudu a jsou přiváděny na vstup usměrňovače, načež na výstupu měniče (konvertoru) získáme požadovanou velikost a stejnosměrné napětí Uout. Při pravoúhlém tvaru impulsu se usměrněné napětí blíží tvaru konstanty, v důsledku čehož je zjednodušen vyhlazovací filtr usměrňovače.
2. Jednostranný měnič napětí.
V srdci Činnost obvodu (obr. 2) je jako většina měničů založena na principu přerušení stejnosměrného proudu v primárním vinutí pulzního transformátoru pomocí tranzistoru pracujícího ve spínaném režimu.
Rýže. 2. Jednokoncový polovodičový měnič
Primární vinutí transformátoru ω je součástí kolektorového obvodu tranzistoruк, do obvodu emitor-báze – zpětnovazební vinutí ωб. Protože vinutí ωк a ωб jsou umístěny na stejném magnetickém obvodu, pak magnetické spojení existující mezi nimi a pořadí, ve kterém jsou konce vinutí spojeny, nakonec poskytují pozitivní zpětnou vazbu v autogenerátoru.
Při připojení zdroje stejnosměrného proudu UBX v kolektorovém obvodu tranzistoru VT a ve vinutí ωк začíná: protéká proud, který způsobuje rostoucí magnetický tok v magnetickém obvodu pulzního transformátoru. Tento tok, působící na zpětnovazební vinutí ωб, indukuje v něm samoindukční emf a vinutí ωб zapne se vzhledem k vinutí ωк takovým způsobem, že EMF v něm indukované otevírá tranzistor ještě více (např p-p-p tranzistoru na bázi vzhledem k emitoru se vytvoří další záporné napětí). Když magnetický tok dosáhne nasycení, EMF a proudy ve vinutí zmizí, objeví se zpětné EMF, které zablokuje tranzistor, a proces začne znovu. Je třeba poznamenat, že když je tranzistor otevřený VT vzhledem k malé hodnotě jeho vnitřního odporu bude úbytek napětí na něm velmi malý i při proudu rovném saturačnímu proudu. Proto v tomto případě téměř veškeré vstupní napětí UBX aplikován na primární kolektorové vinutí transformátoru ωк.
V důsledku periodického zapínání tranzistoru podél primárního vinutí transformátoru ωк poteče proud, jehož impulsy budou mít téměř obdélníkový tvar. K sekundárnímu vinutí transformátoru ωout pulsy stejného tvaru, opakovací frekvence a polarity jsou transformovány; tyto impulsy se používají k výrobě usměrněného napětí pomocí půlvlnného usměrňovače. Rezistor RРБ v bázi tranzistoru omezuje proud báze.
Převodníky popsaného typu je vhodné použít při vysokých výstupních napětích UBЫX a nízké proudy, zejména pro napájení vysokonapěťové anody v katodových trubicích. Hlavní nevýhoda obvod jednocyklového oscilátoru je konstantní magnetizace magnetického obvodu, vzhledem k tomu, že proud kolektorovým (primárním) vinutím transformátoru protéká pouze jedním směrem Konstantní magnetizace zhoršuje podmínky pro přenos výkonu z primárního vinutí transformátoru. transformátor na sekundár, a proto se jednocyklové oscilátory používají při nízkých výkonech (několik wattů), kdy nízká účinnost není určujícím faktorem.
Moderní mobilní autonomní rádiové systémy využívají primární zdroje energie (baterie, solární panely, palivové články).
Takové zdroje vyrábějí elektřinu při jednom konkrétním napětí, které se může v čase měnit. Toto napětí je malé (jednotky, desítky voltů). Napájecí napětí REA se s tímto napětím zpravidla neshoduje ani z hlediska jmenovitého, ani z hlediska stability. Často je vyžadováno napájecí napětí ne jednoho jmenovitého, ale několika. V těchto případech se používají měniče napětí.
Měnič napětí je zařízení, ve kterém se stejnosměrné napětí jedné hodnoty převádí na střídavé nebo stejnosměrné napětí jiné hodnoty. Měniče, jejichž výstupem je střídavé napětí, se nazývají invertory a stejnosměrné napětí se nazývá měniče. Rozdíl mezi nimi je v tom, že měniče mají kromě spínacího zařízení a transformátoru usměrňovač a antialiasingový filtr. Blokové schéma převodníku je na Obr. 2.5.1.
Tranzistorové měniče jsou navrženy pro výstupní výkon až několik stovek wattů. Vysokovýkonové měniče jsou vyrobeny pomocí tyristorů.
Polovodičová zařízení v invertorech pracují ve spínacím režimu. Tento režim umožňuje relativně nízkovýkonovým tranzistorům řídit dostatečně velký výkon v zátěži, čímž je zajištěna vysoká účinnost měniče.
Podle principu činnosti se tranzistorové měniče dělí na měniče s vlastním buzením (SV) a měniče s nezávislým buzením (IEC). Měniče se samobuzením jsou vyráběny ve formě samooscilátorů s kladnou zpětnou vazbou transformátoru. Měniče s nezávislým buzením se skládají z nízkovýkonového hlavního oscilátoru (autogenerátoru) a výkonového zesilovače (obr. 2.5.2).
Střídače pracují pomocí jednocyklových a push-pull obvodů. Hlavní nevýhodou jednocyklových měničů je magnetizace jádra transformátoru stejnosměrnou složkou, což vede ke zvětšení velikosti transformátoru. Měniče s LV se používají při výkonu stovek W, s SV – desítky W.
Stejně jako v usměrňovači, kde charakter zátěže ovlivňoval procesy probíhající v usměrňovači, tak i v měniči se jednotlivé součásti tohoto složitého zařízení vzájemně ovlivňují, a to: charakter zátěže zařazené do stejnosměrného obvodu ovlivňuje provozní střídač; měnič na usměrňovač. Správnou představu o fungování převodníku lze proto získat zvážením celého převodníku jako celku. Nejprve se však musíte seznámit s tím, jak měniče fungují.
2.5.2 Push-pull měnič se samobuzením.
Nejběžnější je push-pull invertorový obvod při sepnutí tranzistorů podle OE obvodu obsahující saturovatelný transformátor.
Ke spínání tranzistorů v něm dochází v důsledku saturace jádra transformátoru. Magnetické jádro musí být vyrobeno z materiálu s obdélníkovou hysterezní smyčkou (HRL). Tranzistory VT1 a VT2 střídavě připojují zdroj napájení Uп na primární poloviční vinutí transformátoru, což způsobí změnu magnetické indukce v magnetickém obvodu z jedné mezní hodnoty (-Bs) na jinou (+Bs). Vstupní obvody VT1 a VT2 jsou napájeny vinutími s kladnou zpětnou vazbou (POS) s počtem závitů W3. Zátěž je připojena k sekundárnímu vinutí.
Když je zapnuto napájení Uп kvůli neidentickým charakteristikám tranzistorů nejsou proudy VT1 a VT2 stejné. Nechat iк1 > iк2. Magnetizační proud i = iк1 – iк2, protékající vinutím W1, indukuje EMF určité polarity ve všech vinutích.
Z vinutí PIC je na bázi VT1 přiváděno záporné budicí napětí a na bázi VT2 kladné budicí napětí. Uб1 = Uvosy + UR2. VT1 se otevře ještě více a VT2 se zavře. Pracovní bod se pohybuje po dynamické charakteristice z polohy А do polohy Б; pak dovnitř В a VT1 přejde do saturačního režimu, c ik1=Irezervovat, Uк= Urezervovat. Napětí je přivedeno na první poloviční vinutí U1 = Uп – Urezervovat1. Tak jako u1 = -W1S (dB/dt), jádro je remagnetizováno konstantní rychlostí
kde S – plocha průřezu jádra.
Podle BCP se pracovní bod přesune z polohy (1) do (2). Jedná se o lineární proces, při kterém se tvoří vrchol výstupního napěťového impulsu u2.
Na konci této fáze, kdy se stav změní z (2) na (3), je jádro nasyceno, magnetická permeabilita klesá a magnetizační proud se zvyšuje ia v důsledku toho se zvyšuje iк1=Ikm. Na dynamické charakteristice je to bod B. Ale nárůst proudu iк1 omezeno napájecím napětím a proudem báze tranzistoru. Protože nedochází k žádné změně indukce, EMF ve všech vinutích klesne na nulu, Uк1 se zvyšuje a VT1 vychází ze saturace. Od tohoto okamžiku začíná lavinový proces, který vede ke spínání tranzistorů.
Zvětšení Uk1 povede ke snížení napětí na primárním polovičním vinutí transformátoru. To způsobí pokles magnetického toku F a indukce B (bod 4), což způsobí indukci emf opačné polarity ve všech vinutích. Nyní je kladné napětí aplikováno na základnu VT1 a záporné napětí je aplikováno na základnu VT2.
Pracovní bod se okamžitě přesune z bodu B do D a poté do bodu D (na uzavřený VT1 je přivedeno napájecí napětí dvakrát)
Iк1= Iк≈0. VT1 se zavře, VT2 se otevře. Po uzamčení dříve otevřeného VT1 začne druhý pomalý stupeň – pokles indukce v jádře od +Bs před –Bs z bodu 4 do bodu 5. Čas pro zapnutí a vypnutí tranzistorů Тк/2, během kterého se indukce mění od Bm na Bs, je malá ve srovnání s půlperiodou T/2, takže doba změny indukce z –Вs na +Bs prakticky se vyskytuje za T/2: pracovní bod prochází cestou 2Вs podél hysterezní smyčky s rychlostí dB/dt během (Tl/2= T/2), tzn.
Pojďme to nahradit tady dB/dt z (2.5.1) a určete frekvenci kmitání měniče:
Při výpočtu frekvence měniče pracujícího na vyšší frekvenci je nutné vzít v úvahu dobu trvání spínacích procesů Тк. Тк závisí na setrvačnosti tranzistoru a pro tento obvod se rovná době resorpce náboje menšinových nosičů v bázích tranzistorů.
Jednou z vlastností samobuzeného invertoru je výskyt významných rázů kolektorových proudů. Odhadněme velikost těchto emisí.
Pro spolehlivé a hluboké nasycení tranzistoru se amplituda proudu báze volí v K1 krát vyšší, než je potřeba ke spínání tranzistoru při minimálním proudovém zesílení minTo znamená, že
Pro tranzistory s > min násobnost odemykacích impulsů se bude lišit a skutečný koeficient nasycení
Protože šíření může být velmi velké, pak kdy К1=2, a,Кф=10. Pokud je v saturačním režimu iк = Irezervovat, poté v přechodovém režimu Iк bude určena základní aktuální úrovní:
Dosazením výrazu (2.5.7) do (2.5.5) dostaneme
Uvolnění může být řádově větší Irezervovat. Požadovaná hodnota základního proudu je dána volbou napětí Uvosy vinutí báze a rezistor R2
kde a jsou základní napětí a proud v saturačním režimu.
Pro snížení zvlnění usměrněného napětí na výstupu převodníku je nutné, aby čela střídavého obdélníkového napětí měla minimální dobu trvání. Toho je dosaženo použitím vysokofrekvenčních výkonových tranzistorů a bočníku R2 kondenzátor C. C ≤ T/2R2 = 1/2 XNUMX XNUMXfR2.
Pro úspěšnou činnost tedy tranzistor musí mít
To vede k příliš vysokému maximálnímu výkonu tranzistoru Pкmax ve srovnání s výstupním výkonem.
Obr 2.5.6. Obr 2.5.7.
Menší amplitudy emisí kolektorového proudu získáme ve střídači s tlumivkou v emitorovém obvodu výkonových tranzistorů (obr. 2.5.6). Když je transformátor nasycen, když iк1 začíná přibývat iL se také zvyšuje. Zvýšit iL vede ke vzniku samoindukčního emf. Uб1 = Uvosy + UL pro zavírací VT1 bude zamykací. To urychlí proces resorpce minoritních nosičů náboje a vypnutí tranzistoru a současně omezí iк1.
Větší účinek má obvod se spínacím transformátorem (obr. 2.5.7).
V tomto okruhu nejsou žádné emise kolektorů proudu iк1, protože tranzistory nejsou uzamčeny na kolektoru, ale na bázi. Jádro transformátoru T1 není nasyceno (V < Vs). Jádro méně výkonného spínacího transformátoru T2 se nasytí. V tomto případě UR3 Napětí na vinutí T2 se zvyšuje a snižuje. Základní proud iб1 saturovaný tranzistor VT1 klesá a po resorpci menšinových nosičů je uzamčen. V čem dB2/dt se sníží, EMF ve vinutí T2 se sníží ještě více, klesne na nulu a VT2 se otevře. Protože výstup tranzistoru z režimu saturace začíná poklesem iб, pak resorpce náboje menšinových nosičů v bázi otevřeného tranzistoru nevede k emisi iк spínací frekvence je dána parametry spínacího transformátoru Тс:
Nevýhodou tohoto schématu je přítomnost dvou transformátorů.
Roli spínacího transformátoru však může plnit saturovatelná tlumivka. Je součástí základních obvodů. Sytost plynu vede ke zvýšení iL, iб klesá a saturovaný tranzistor se vypne.
