7. Преобразователи и инверторы

 

7.1. Общие сведения о статических преобразователях

Современные требования потребителей электрической энергии по качеству, уровню напряжения, роду тока вызывают необходимость применения специальных устройств – преобразователей постоянного напряжения (ППН) или тока. Ранее такие преобразователи строились на базе вращающихся электрических машин («мотор-генераторов») различных модификаций. Начиная с середины 50^х годов, когда появились мощные транзисторы и теоретически были изучены особенности их работы в режиме переключения, появились первые разработки транзисторных статических преобразователей электрической энергии постоянного тока на самые различные мощности, уровни входных и выходных напряжений и частот. По сравнению с электромашинными преобразователями транзисторные преобразователи электрической энергии обладают следующими преимуществами:

- сокращение в (5÷10) раз времени готовности устройства (до долей секунды);

- уменьшение уровня акустических шумов;

- исключение гироскопического эффекта;

- повышение устойчивости к механическим воздействиям;

- повышенное значение коэффициента полезного действия;

- малые объем, масса;

- большие эксплуатационная надежность и срок службы.

 

7.2. Структурные схемы статических преобразователей

7.2.1. Структурная схема статического преобразователя на основе инвертора

Инвертором называется устройство, которое преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока высокой частоты. Структурная схема статического преобразователя на основе инвертора изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1  Структурная схема статического преобразователя на основе инвертора

 

Процесс преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока называется инвертированием, а устройство, осуществляющее это преобразование, - инвертором. Отсюда инвертирование – преобразование, обратное выпрямлению. На схеме рис. 7.1а показано, что постоянное напряжение от первичного источника питания (ПИП) подается на инвертор (И) и с выхода инвертора переменное напряжение высокой частоты подается на потребителя (П). В схеме инвертора рис. 7.1б преобразуется постоянное напряжение U₁ с частотой f₁ = 0 в переменное напряжение U₂ с частотой f₂ > 0. В зависимости от схемотехнических решений инвертора выходное напряжение может иметь различную форму (рис. 7.1б): прямоугольную форму (меандр); ступенчатую – с пониженным содержанием определенных гармоник (квазисинусоида); форму близкую к синусоидальной. В общем случае инвертор может быть управляемым (регулируемым), как показано на рис. 7.1б.

 

7.2.2. Структурная схема статического преобразователя частоты

Если напряжения преобразуемого и преобразованного токов имеют различные, но отличные от нуля частоты, то такой процесс называется преобразованием частоты, а соответствующие устройства называют преобразователями частоты. В системах электрического питания преобразователи обычно повышают частоту, а их структурная схема представлена на рис. 7.2.

Рис. 7.2  Структурная схема статического преобразователя частоты

 

В преобразователе частоты рис. 7.2а напряжение переменного тока первичного источника питания (ПИП) частоты f₁ предварительно выпрямляется в выпрямительном устройстве (ВУ), содержащем вентильную группу (В) и сглаживающий фильтр (Ф), а затем подается на инвертор (И), который инвертирует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока требуемой частоты f₂ ≠ f₁. На рис. 7.2б показана процедура преобразования, и в общем виде можно обозначить функциональным узлом, на входе которого действует напряжение U₁ частоты f₁, а на выходе – напряжение U₂ частоты f₂ > f₁.

Системы электрического питания с преобразователем частоты называют системами с бестрансформаторным входом.

 

7.2.3. Структурная схема статического преобразователя на основе конвертора

В ряде случаев требуется преобразовать напряжение постоянного тока одного значения в напряжение постоянного тока другого значения (обычно более высокого) при минимальных потерях электрической энергии. Такой процесс называется конвертированием, а устройства преобразования – конверторами. Таким образом, конвертирование можно рассматривать как трансформацию напряжений постоянных (то есть имеющих нулевую частоту) токов. Структурная схема конвертора представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3  Структурная схема конвертора

 

В конверторе рис. 7.3а напряжение постоянного тока первичного источника питания (ПИП) предварительно преобразуется в напряжение переменного тока высокой частоты в инверторе (И), затем изменяется трансформатором (Тр) до необходимого значения, выпрямляется вентильной группой (В). После подавления пульсаций выпрямленного напряжения с помощью сглаживающего фильтра (Ф) получается требуемое постоянное напряжение U₀₂ ≠ U₀₁.

В схеме конвертора рис. 7.2б инвертор выполняет функцию промежуточного звена преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока повышенной частоты (f_пр = (50÷100) кГц), которое после выпрямления и фильтрации вновь преобразуется в напряжение постоянного тока U₀₂. В общем случае конвертор может обозначаться одним функциональным блоком, на входе которого действует напряжение постоянного тока U₀₁ частотой f₁ = 0, а на выходе – напряжение U₀₂ частотой f₂ = 0.

 

7.3. Структурная схема и классификация инверторов

Инвертор является основным звеном всех разновидностей статических преобразователей, и его электрические характеристики должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к любой структуре статического преобразователя. Основными энергетическими характеристиками преобразователей, определяющими их энергетическую эффективность и качественные показатели, являются:

- коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение мощности преобразованного тока к мощности, отдаваемой источником преобразуемого тока;

- стабильность выходного напряжения и частоты при воздействии различных возмущающих факторов: нестабильность источника преобразуемого тока, изменения температуры окружающей среды, изменения мощности на стороне потребителя и др.;

- пульсация выходного напряжения;

- форма выходного напряжения;

- нагрузочная (внешняя) характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от тока (или мощности) на стороне потребителя.

Принцип действия инверторов основывается на периодическом подключении потребителя к источнику напряжения постоянного тока, в результате чего на стороне потребителя протекает переменный ток. В статических преобразователях коммутация осуществляется с помощью электронных приборов, работающих в ключевом режиме. При этом электронный прибор может находиться в двух состояниях: либо он закрыт, и его ток близок к нулю, а напряжение на электронном приборе равно входному напряжению, либо он открыт, и его ток имеет максимальное значение, а напряжение на электронном приборе близко нулю. В обоих случаях мощность, рассеиваемая на электронном приборе, мала. Переход электронного прибора из закрытого состояния в отрытое состояние и обратно (коммутация) происходит достаточно быстро, так что коммутационные потери мощности также малы, а все это обеспечивает высокий коэффициент полезного действия инверторов, который обычно составляет (80÷90)% и более.

Обобщенная структурная схема инвертора представлена на рис. 7.4 и содержит преобразователь (П), выполненный на электронных приборах, работающих в ключевом режиме, схему управления (СУ) частотой выходного напряжения переменного тока, устройство управления частотой (УУЧ), преобразующее выходное напряжение в сигнал, поступающий на СУ, регулятор выходного напряжения (РВН), управляющий значением амплитуды U_ВЫХ, устройство управления напряжением (УУН), автономный источник переменного напряжения (АИПН).

Рис. 7.4 Обобщенная структурная схема инвертора

 

Преобразователь (П) рис. 7.4 преобразует напряжение постоянного тока от первичного источника питания (ПИП) в напряжение U_вых переменного тока. Выход преобразователя (П) подключается либо к одному потребителю (П1), либо к нескольким потребителям (П1, П2 и т.д.). Управление блоком П осуществляется схемой управления (СУ), которая вырабатывает сигналы, периодически открывающие и закрывающие электронные приборы преобразователя (П). Для изменения частоты выходного напряжения переменного тока необходимо воздействовать на СУ, изменяя частоту управляющих сигналов. Для этого используется сигнал с внешнего пульта управления (воздействия, управляющие частотой), либо вводится специальное устройство управления частотой (УУЧ), которое с блоком СУ образует систему обратной связи и включает устройство сравнения частоты сигнала на выходе инвертора с частотой эталонного генератора, входящего также в состав УУЧ. Система обратной связи стабилизирует частоту выходного напряжения U_вых переменного тока.

Необходимая регулировка амплитуды выходного напряжения переменного тока инвертора рис. 7.4 осуществляется блоком регулятора выходного напряжения (РНВ), который также управляется либо сигналами с пульта управления (воздействия, управляющего напряжением), либо воздействиями, подаваемыми от устройства управления напряжением (УУН), которое включает устройство сравнения выходного напряжения с некоторым эталонным напряжением, источник которого также входит в состав блока УУН. Выходной управляющий сигнал УУН будет воздействовать на РВН в том случае, если амплитуда U_вых отличается от его номинального значения. Таким образом, обеспечивается автоматическая стабилизация U_вых инвертора.

Часто инверторы работают параллельно с другими автономными источниками переменного напряжения (АИПН) на общую сеть переменного тока, питающую либо один, либо несколько потребителей.

Вводят ряд классификационных признаков инверторов. Инверторы различают:

·                    По типу применяемого электронного прибора (ЭП):

- ламповые ЭП;

- транзисторные ЭП;

- тиратронные ЭП;

- тиристорные ЭП.

·                    По характеру взаимодействия преобразователя и схемы управления:

- инверторы с внешним возбуждением (имеется внутренний генератор);

- инверторы с самовозбуждением (существует положительная обратная связь);

·                    По характеру взаимодействия инвертора и автономного источника переменного напряжения:

- автономные инверторы (способны работать, когда все другие источники отключены от сети);

- неавтономные инверторы (при отсутствии в сети других автономных источников напряжения инверторы работать не могут);

·                    По количеству фаз выходного напряжения переменного тока:

- однофазные инверторы;

- трёхфазные инверторы;

- и т.д.

·                    По форме выходного напряжения переменного тока:

- инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения;

- инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения;

- и другие.

·                    По типу схемы преобразователя;

·                    По системе управления;

·                    По наличию стабилизации и управления выходными напряжениями и частотой.

 

7.4. Транзисторные однотактные инверторы с внешним возбуждением

7.4.1. Однотактные инверторы с внешним возбуждением и последовательным включением транзисторов

Возможны два варианта простейших инверторов с последовательным включением транзисторов, которые представлены на рис. 7.5. Первая схема с дросселем на выходе инвертора рис. 7.5а, вторая – с транзистором (рис. 7.5.б).

 Транзисторы VT схем инверторов рис. 7.5 работают в ключевом режиме. Напряжение управления имеет прямоугольную форму. Рассмотрим работу схемы рис. 7.5а с помощью временных диаграмм, приведенных на рис. 7.6.

 

Рис. 7.5 Схема инверторов с последовательным включением транзисторов

 

Рис. 7.6 Временные диаграммы, поясняющие работу однотактных инверторов с последовательным включением транзисторов

 

На интервале времени от 0 до t₁ управляющее напряжение отрицательно (рис. 7.6а) и транзистор VT открыт, а в дросселе L запасается магнитная энергия, ток на входе инвертора i_и нарастает по линейному закону (рис. 7.6б), и на транзисторе VT напряжение мало и равно U_кэнас (рис. 7.6в). При этом все напряжение источника постоянного тока U_вх приложено к нагрузке (рис. 7.6д). Ток дросселя i_L рис. 7.6г нарастает по линейному закону. После подачи U_упр положительной полярности (7.6а) на интервале времени от t₁ до t₂ VT закрывается и ток дросселя i_L (рис. 7.6г) замыкается через R_н, создавая отрицательную полуволну U_вых(t) (рис. 7.6д). Ток i_L в этом случае уменьшается по экспоненциальному закону, вызывая уменьшение напряжения U_вых. Пиковое значение выходного напряжения равно U_{вых макс} = U_вх + ΔU, i_u = i_L + i_н – при открытом состоянии VT, i_u = 0 – при закрытом VT (рис. 7.6б).

Напряженииt U_кэ VT равно U_кэнас при отрицательной полярности U_упр (открытое состояние VT), в закрытом состоянии VT (положительная волна управляющего напряжения) максимальное напряжение коллектор – эмиттер равно U_{кэ макс} = 2U_вх + ΔU (рис. 7.6в). Это происходит за счет накопления магнитной энергии в дросселе при открытом VT и воздействие входного напряжения на VT при его закрытом состоянии.

На выходе инвертора имеется переменное напряжение U_вых (рис. 7.6д), форма которого близка к прямоугольной. Чем больше значение L дросселя, тем ближе форма U_вых к прямоугольной.

Схема однотактного инвертора с последовательным включением транзистора рис. 7.5б содержит трансформатор, который повышает или понижает переменное напряжение на нагрузке до требуемого значения.

Недостаток схем однотактных инверторов с последовательным включением транзистора заключается в неравномерной во времени загрузке источника постоянного тока.

 

7.4.2. Однотактные инверторы с параллельным включением транзистора

Рассматривают схемы инверторов двух разновидностей, приведенных на рис. 7.7. Первая схема с дросселем, включенным последовательно между входом и выходом (рис. 7.7а), вторая схема с трансформатором на выходе инвертора
(рис. 7.7б).

Рис. 7.7 Схема однотактных инверторов с параллельным включением транзистора

 

Рассмотрим работу схемы инвертора рис. 7.7а с помощью временных диаграмм, представленных на рис. 7.8.

На интервале времени от 0 до t₁ подается на транзистор управляющее напряжение отрицательной полярности рис. 7.8а. В этом случае транзистор VT закрыт и происходит заряд конденсатора C через дроссель L и R_н (рис. 7.8в). Ток i_C = i_L = i_Н (рис. 7.8б, в) по мере заряда конденсатора уменьшается, а напряжение U_кэ (рис. 7.8д) возрастает, ток транзистора i_VT = 0 (рис. 7.8г). На интервале времени от t₁ до t₂ транзистор открыт, дроссель L подключен параллельно источнику постоянного напряжения и ток через L нарастает по линейному закону (рис. 7.8б). Конденсатор C разряжается (рис. 7.8в) и направление тока через R_Н изменяется на противоположное. В этой схеме инвертора ток источника постоянного напряжения U_вх изменяется во времени (ток i_L рис. 7.8б), но не имеет ярко выраженного импульсного характера.

Рис. 7.8 Временные диаграммы, поясняющие работу схемы инвертора рис. 7.7а.

 

Схема однотактного инвертора с параллельным включением транзистора и трансформатором рис. 7.7б позволяет преобразовать переменное напряжение до заданного значения. Изменения величины L и C приводят к вариации формы выходного напряжения в широких пределах.

 

7.5. Транзисторные двухтактные инверторы с внешним возбуждением

В качестве двухтактных инверторов применяют схему с дифференциальным трансформатором рис. 7.9а и мостовую схему инвертора рис. 7.9б.

Рис. 7.9 Принципиальные схемы транзисторных двухтактных инверторов с внешним возбуждением

 

В схеме двухтактного инвертора с дифференциальным трансформаторов рис. 7.9а транзисторы VT1, VT2 работают поочередно. Когда VT1 открыт, VT2 – закрыт, и наоборот. Это обеспечивается противофазностью (временным сдвигом) управляющих напряжений прямоугольной формы. При этом ток от источника питания постоянного напряжения протекает то по одной, то по другой половине первичной обмотки трансформатора, создавая на нагрузке R_Н переменное напряжение прямоугольной формы U_вых.

В двухтактной мостовой схеме инвертора рис. 7.9б одновременно открыты пара транзисторов: либо VT1, VT4, либо VT2, VT3. При переключении пар транзисторов (например, VT1, VT4 закрываются, а VT2, VT3 открываются) происходит изменение полярности напряжения на первичной обмотке трансформатора. Следовательно, напряжение на нагрузке R_н будет иметь прямоугольную форму. При этом управляющие импульсы транзисторами VT1, VT4 и VT2, VT3 имеют временной сдвиг или отличаются по фазе на π.

Достоинство мостовой схемы инвертора рис. 7.9б состоит в лучшем использовании трансформатора и меньшем напряжении на закрытом транзисторе.

Во всех схемах инверторов с внешним возбуждением сигналы U_упр, управляющие транзисторами, создаются самостоятельными устройствами – генераторами прямоугольных импульсов.

 

7.6.Однотактный транзисторный инвертор с самовозбуждением.

Принципиальной особенностью инверторов с самовозбуждением является наличие положительной обратной связи, обеспечивающей режим автогенерации.

Принципиальная схема однотактного инвертора с самовозбуждением представлена на рис.7.10, а временные диаграммы,  поясняющие его работу,- на рис.7.11.

         Рис7.10. Принципиальная схема однотактного инвертора с самовозбуждением.

 

В момент подачи напряжения питания U_вх силовой транзистор VT (рис 7.10) открывается за счет цепи R1, R2 и его коллекторный ток i_к нарастает и может быть записан соотношением:

                                                                            (7.1)

где L₁‑ индуктивность намагничивания силового трансформатора Тр, приведенная к его первичной обмотке, число витков которой равно W₁; I_{к нач}‑ начальный ток коллектора мощного транзистора и обмотки с индуктивностью L1, который может быть равен нулю(рис 7.11а).

Рис 7.11. Временные диаграммы , поясняющие действия инвертора рис. 7.10.

 

На интервале времени от нуля до t₁ ток в коллекторе мощного транзистора VT и в индуктивности L1 намагничивания силового трансформатора нарастает по линейному закону и в момент времени t₁ достигает максимального значения:

                                                                 (7.2)

                                                                                         (7.3)

где t_откр‑ длительность открытого состояния транзистора VT в схеме включения с общим эмиттером; I_{Б ном}‑ номинальный ток базы, задаваемый резисторным делителем R1, R2 в момент передачи питающего напряжения.

Положительная обратная связь в схеме рис. 7.10. обеспечивается дополнительной обмоткой трансформатора, включенной в цепь базы транзистора с числом витков W_Б. в момент времени t=t₁, когда i_к=I_{к макс} на обмотке W_Б формируется запирающее напряжение на базе и транзистор VT закрывается. В режиме отсечки транзистора VT на интервале времени от t₁ до t₂ ток в индуктивности L1 намагничивания трансформатора уменьшается по мере расходования в нагрузке накопленной энергии к моменту времени t₂ ток i_к= i₁ (рис. 7.11а) достигает нулевого значения, исчезает запирающее напряжение на базе VT. В момент времени t=t₂ транзистор VT открывается благодаря току через запускающий резистор R1 i_Б=I_Б (рис.7.11б).

Напряжения на базе транзистора VT и выходе инвертора определяются из соотношений:

                                                                         (7.4)

                                                               (7.5)

Частота переключений зависит от V_вх и R_н.

Большие коммутационные перегрузки мощного транзистора  току коллектора является основным недостатком схемы рис. 7.10.

Для уменьшения коммутационных перегрузок в однотактном преобразователе напряжения с самовозбуждением используется:

·        включение в цепь эмиттера VT (рис. 7.10) резистора, играющего роль датчика тока, и второго транзистора, шунтирующего вход мощного транзистора;

·        времязадающие RC-цепочки;

·        нелинейные насыщенные трансформаторы и дроссели.

 

7.7. Двухтактный транзисторный инвертор с самовозбуждением

Наиболее часто применяют схему двухтактного инвертора со средней точкой трансформатора. Ее еще называют по имени изобретателя: автогенератором Ройера (Royer G.H.)

Схема двухтактного транзисторного инвертора с самовозбуждением представлена на рис. 7.12. и она включает: два транзисторных ключа VT1, VT2 трансформатор Тр с двумя первичными обмотками , и выходной обмоткой W₂. входной источник напряжения U_вх постоянного тока включен между средней точкой трансформатора о общей точкой ключей. Сигналы управления транзистором формируются обмотками обратной связи ,, находящихся на одном сердечнике с коллекторной и нагрузочной обмотками.

Рис. 7.13. Принципиальная схема двухтактного транзисторного инвертора с самовозбуждением.

Принципиальную роль в работе инвертора играет нелинейный характер кривой намагничивания сердечника силового трансформатора, которая аппроксимируется линейной зависимостью B=f(H) (рис. 7.13.) без учета явления гестерезиса.

Рис. 7.13. Зависимость B=f(H).

Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора рис. 7.12, представлены на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного инвертора с самовозбуждением.

При включении питающего напряжения U_вх в схеме рис.7.12. падение напряжения на резисторе R2 обеспечивает открывание транзисторов VT1, VT2. Если предположить, что первоначально коллекторные токи транзисторов VT1, VT2 одинаковы, то из-за различного рода возмущений один из коллекторных токов обязательно получит хотя бы малое приращение. Допустим, появится избыточный ток коллектора транзистора VT1. Избыточный ток обуславливает появление на коллекторной и базовой обмотках трансформатора напряжений, полярность которых указана на рис 7.12. Эти напряжения на базах транзисторов VT1, VT2 приведет к дальнейшему увеличению тока i_к1 и снижению тока i_к2 и т.д. таким образом, происходит лавинообразный процесс, в результате которого изменяется состояние транзисторов VT1, VT2 схемы рис.7.12. Транзистор VT1 открывается и находится в состоянии насыщения; транзистор VT2 закрывается и находится в состоянии отсечки. При этом напряжение U_кэ1  транзистора VT1 уменьшается до значения U_{кэ1 нас}.

На интервале времени  от t=0 до t=t₁ происходит намагничивание сердечника трансформатора. Перепад напряжения на коллекторе транзистора VT1 на половине коллекторной обмотки трансформатора Тр рис.7.12 имеющий число витков , приведет к изменению индукции В в сердечнике (рис. 7.14а). в соответствии с законом электромагнитной индукции можно записать:

                                                          (7.6)

Где Ф‑ магнитный поток в сердечнике;

S_c‑ площадь сечения магнитопровода;

ΔU‑ перепад напряжения на коллекторе транзистора VT1.

Из соотношения (7.61) следует, что индукция В изменяется по линейному закону и рабочая точка на характеристике намагничивания (зависимость B=f(H) рис.7.13) будет перемещаться, например, вверх. Пока рабочая точка находится на линейном участке характеристики намагничивания (рис. 7.13), напряженность магнитного поля Н и ток намагничивания сердечника трансформатора i_μ растут по линейному закону. Ток коллектора открытого транзистора VT1 равен (рис.7.14б):

                                                                              (7.7)

где ‑ токи нагрузки и базы, приведенные к коллекторной обмотке транзистора VT1.

Вначале из-за малости тока намагничивания i_μ его изменения незначительно влияют на линейное изменение тока i_к1. В окрестности точки 1 зависимость B=f(H) рис.7.13 сердечник трансформатора насыщается, что приводит к резвому возрастанию тока намагничивания i_μ., а это вызывает значительный рост тока коллектора i_к1 (на интервале времени от t=t₁ до t=t₂ рис.7.14б). транзистор VT1 выходит из режима насыщения и напряжение U_кэ1 увеличивается. Возрастание U_кэ1 приводит к появлению на базовой обмотке трансформатора транзистора VT2 напряжения, полярность которого становится противоположной начальной полярности на интервале времени tє(0,t). Поэтому в момент времени  t=t₂ происходит открывание транзистораVT2 и увеличение тока коллектора i_к2, которое вызывает дальнейшее возрастание U_кэ1 и появление в базовой цепи транзистора VT1 напряжения запирающей полярности. Вновь возникает лавинообразный процесс в момент времени t=t₂, который изменяется состояние транзисторов схемы рис. 7.12: транзистор VT1 закрывается; транзистор VT2 открывается и находится в состоянии насыщения.

Рассмотренные процессы в инверторе. Рис.7.12  периодически повторяются. При этом транзисторы VT1, VT2 работают в ключевом режиме, а выходное напряжение U_вых имеет форму, близкую к прямоугольной (рис.7.14в).

Для повышения надежности самовозбуждения часто параллельно резистору R1 включают конденсатор С, который обеспечивает увеличение токов без транзисторов в момент включения схемы инвертора рис.7.12. и при переключении транзисторов.

Частоту f выходного напряжения можно найти из закона электромагнитной индукции, определив время изменения индукции от –В_макс до +В_макс (рис.7.13.) и это время tє(0,t₂) рис.7.14а равно половине периода Т выходного напряжения. Интегрируя соотношение (7.6), получаем:

                              (7.8)

Из соотношения (7.) находим:

                                        (7.9)

Амплитуда импульса в коллекторной цепи ΔU  примерно равна удвоенному напряжению питания U_вх из-за намагничивания сердечника трансформатора и индуктивности намагничивания  коллекторной обмотки трансформатора:

                                                                       (7.10)

Схему инвертора рис.7.12 называют схемой с насыщающимся силовым трансформатором. В целях получения относительно стабильной частоты выходного переменного напряжения сердечник силового трансформатора должен быть выполнен из материала с прямоугольной петлей гестерезиса.

Недостатком рассмотренной схемы инвертора рис.7.12. является всплеск коллекторного тока одного из транзисторов во время переключения (интервалы времени tє(t₁,t₂), tє(t₃,t₄) рис.7.14) и увеличение потерь за счет сердечника трансформатора. Для устранения этих недостатков используются схемы инверторов с коммутирующим дросселем или с насыщающимся коммутирующим трансформатором (для этого вводится специально второй маломощный насыщающийся коммутирующий трансформатор).

 

7.8. Схемы управления инверторами и преобразователями.

На практике применяют различные варианты выполнения схем управления инверторами или преобразователями. Схему управления выполняются как на дискретных элементах, так и на интегральных микросхемах (ИМС). Предпочтение отдается ИМС с большой степенью интеграции, включающим в себя не только преобразователь аналогового сигнала в импульсную последовательность с модуляцией импульсов по ширине (ШИМ-сигнал), но и целый ряд вспомогательных звеньев. Также возможно применение в качестве схемы управления преобразователем ИМС, которые рассматриваются при построении КСПН импульсного действия. Хорошие показатели преобразователя обеспечивают применение схемы управления 1114ЕУ1, которая содержит практически все узлы, необходимые для управления, защиты и включения преобразователя. Структурная схема ИМС 1114ЕУ1 представлена на рис.7.15 и она включает: А1‑ источник стабильного вспомогательного напряжения +5В и опорного напряжения; А2‑ усилитель сигнала ошибки.

Рис.7.15. Структурная схема ИМС 1114ЕУ1.

А3- компаратор; А4- генератор пилообразного напряжения; А5- триггер; А6, А7- селекторы импульсов; А8- устройство для контроля снижения входного напряжения; А9- устройство для контроля первичного напряжения; А10- устройство токовой защиты; А11- согласующее устройство.

Схема управления на основе ИМС 1114ЕУ1 рис.7.15. работает следующим образом. Сигнал обратной связи с резистивного делителя цепи сравнения подводится к одному из входов усилителя А2. на другой его вход поступает опорное напряжение U_БЭ с выхода А1. на выходе делителя обратной связи А2 получают усиленный сигнал ошибки, который подается на вход компаратора А3 ШИМ ( совместная работа А3 и А4 образует цепь ШИМ). Выходное напряжение генератора пилообразного напряжения А4 приводится ко второму входу компаратора  А3 ШИМ. С выхода А3 импульсное напряжение с ШИМ подается на селекторы импульсов А6 и А7. На выходы А6 и А7 также поступают выходные импульсы триггера А5, причем на вход А6 подаются импульсы с неинвертирующего выхода А5, а на вход А7- с инвертирующего выхода А5. Благодаря этому устройства А5-А7 работают как «распределитель фазы». На входе селектора А7 импульсы оказываются сдвинутыми по фазе на 180° относительно импульсов, снимаемых с выхода селектора А6. маломощные транзисторы VT1 b VT2 рис.7.15., являющиеся усилителями, позволяют передать импульсы с ШИМ на силовые транзисторные ключи двухтактного преобразователя. В систему защиты преобразователя входят узлы А8, А9, А10 ИМС рис.7.15.

Внешние конденсатор С и резистор R1 рис.7.15 служат для установки и регулировки частоты повторения импульсов, максимальное значение которой достигает (100- 200) кГц. Значение сопротивления R2 определяет длительность запретной паузы между импульсами.

Примеры некоторых практических схем управления ИМС однотактными инверторами источников вторичного электрического питания приведены в таблице 7.1.

 

Таблица 7.1

№ пп	Тип ИМС (аналог)	Функциональное назначение	Uвх, В	Iвых, А	fпл, кГц
1	1031ЕУ1 (TDA4601)	Контроллер однотактного обратноо инвертора	20	1,50	90
2	1033ЕУ5 (TDA4605)	Контроллер однотактного обратноо инвертора с МОП транзисторм	20	1,50	250
3	KB1021ХЛ1 (TDA2582)	ШИМ контроллер с устройством синхронизации	10…14	0,04	100
4	1033ЕУ10 (VC3842)	Однотактный ШИМ контроллер с МОП транзистором с g=100%	30	1,00	500
5	1033ЕУ11 (VC3844)	Однотактный ШИМ контроллер с МОП транзистором с g=50%	-	-	-
6	1156ЕУ3 (VC3823)	Однотактный высокочастотный ШИМ контроллер	30	1,50	1000
7	1033EУ9  (AWR-SM8210)	Однотактный ШИМ контроллер со встроенным мощным МОП транзистором	30…40	0,80	800

 

Сравнительные характеристики ИМС для импульсных систем электрического питания приводятся в таблице 7.2.

 

Таблица 7.2

№ пп	Тип преобразователя ИВЭП	Рвых, Вт	Uмах, В	Iвых, А	Стоимость $США
1	Импульсный стабилизатор	5	28	0,175	4
2	Блокинг-генератор	10	5	2,000	7
3	Обратноходовой инвертор	50	5	10,000	15
4	Прямоходовой инвертор	100	10	10,000	20
5	Двухфазный инвертор	200	20	10,000	25
6	Полумостовый инвертор	150	20	12,500	35
7	Мостовый инвертор	500	50	10,000	75