Глава X
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ И РОДА ТОКА
§ 45. Преобразователи постоянного тока
В современных электропитающих установках устройств связи широко используются полупроводниковые приборы, которые преобразуют постоянный ток одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, а также постоянный ток в переменный. Преобразователи первого типа получили название конверторов, а осуществляемый ими процесс преобразования электрической энергии — конвертирования. Преобразователи второго типа называются инверторами, а выполняемое ими преобразование электрической энергии — инвертированием. Полупроводниковые преобразователи обоих типов позволяют питать новые устройства связи от существующих электропитающих установок и в некоторых случаях более рационально осуществлять резервирование электропитания. Так, полупроводниковые преобразователи постоянного тока позволяют питать от одного базового источника тока (обычно с напряжением 24 В) большое число различных устройств связи, требующих для своей работы отдельных источников постоянного тока с разными напряжениями.
Полупроводниковые преобразователи, будучи полностью статическими устройствами с небольшими габаритными размерами, очень надежны в работе и почти не нуждаются в обслуживании. Они практически мгновенно включаются в работу и имеют высокий к. п. д., а также большой срок службы.
Транзисторные преобразователи.
В транзисторном преобразователе постоянного тока (рис. 99) источник тока — аккумуляторная батарея Б питает транзисторный генератор Г, вырабатывающий переменный ток частотой 350—400 Гц. Трансформатор Тр повышает напряжение генератора до необходимого значения. Далее переменный ток генератора выпрямляется выпрямительной схемой ВС на полупроводниковых вентилях и полученный после выпрямления пульсирующий ток сглаживается фильтром Ф. В результате на выходе преобразователя получается постоянный ток при требуемом напряжении (т. е. преобразователь является своеобразным трансформатором постоянного тока).
В последнее время частоты генераторов Г здесь и в последующих схемах полупроводниковых преобразователей постоянного тока иногда повышают до десятков килогерц, что дает возможность уменьшить габариты трансформаторов, а также снизить параметры емкостей и индуктивностей фильтров.
Рис. 99. Функциональная схема полупроводникового преобразователя
Описанная функциональная схема может получить различные практические выполнения, но наибольшее распространение получила принципиальная схема полупроводникового транзисторного преобразователя с самовозбуждением (рис. 100, а). Двухтактный блокинг-генератoр собран на транзисторах Т1 и Т2, включенных по схеме с общим эмиттером. Эмиттер и коллекторы транзисторов включены на две половины обмотки II трансформатора Тр1, а базы — на две половины обмотки /. Как и во всяком электронном генераторе, в этой схеме генерация обеспечивается за счет положительной обратной связи между цепями коллекторов и баз, осуществляемой через обмотки I и II трансформатора Тр1. Оба транзистора работают в режиме переключения, т. е. они поочередно открываются, переходя в состояние насыщения, и закрываются. Делитель напряжения R1—R2 обеспечивает запуск преобразователя в момент включения питания, так как со средней точки его подается минус на базы транзистора. Конденсатор С1 сглаживает пики напряжения, которые могут возникать в периоды переключения транзисторов.
Рис. 100. Схемы двухтактных транзисторных преобразователей с самовозбуждением
Индуктируемый в обмотке III переменный ток выпрямляется однофазной мостовой выпрямительной схемой ВС и получаемый пульсирующий ток сглаживается фильтром, состоящим из дросселя Др и конденсаторов С2 и С3.
В преобразователях с самовозбуждением частота и форма кривой переменного напряжения, а также выходное напряжение зависят от изменения нагрузки, подключенной к выходным зажимам, так как при этом меняется режим работы генератора. Вследствие этого преобразователи с самовозбуждением применяются только при небольших мощностях нагрузки (примерно до 50 Вт) или при постоянной нагрузке.
Для работы на переменную нагрузку мощностью более 50 Вт используется транзисторный преобразователь, собранный по схеме с. задающим генератором (рис. 100, б). Генератор, собранный по схеме с самовозбуждением, выполняет роль задающего генератора, с выхода которого напряжение переменного тока подается на вход усилителя мощности. Сам генератор рассчитывается на небольшую мощность, достаточную только для того, чтобы обеспечить нормальную работу усилителя. Этот усилитель мощности двухтактного типа состоит из транзисторов Т3 и Т4, включенных по двухтактной схеме с общей базой, и выходного трансформатора Тр2. В усилителе мощности так же, как в генераторе, транзисторы работают в режиме переключения, т. е. они пропускают ток поочередно — в то время как один открыт и находится в состоянии насыщения, другой закрыт, затем наоборот и т. д. Ток, усиленный усилителем, выпрямляется и сглаживается фильтром, как и в предыдущей схеме.
Тиристорные преобразователи.
В состав тиристорного преобразователя (рис. 101, а) входят: управляющий генератор (мультивибратор) M, тиристоры Д1 и Д2, так называемый коммутирующий конденсатор С, дроссель Др, дифференциальный трансформатор Тр, выпрямительная схема ВС и фильтр Ф. Первичная обмотка трансформатора разделена на две равные части.
Мультивибратор М генерирует и подает на управляющие электроды тиристоров Д1 и Д2 кратковременные импульсы противоположной полярности. В первую половину периода тока мультивибратора на тиристоре Д1 будет плюс, а на Д2 — минус. Во вторую половину периода полярности изменяются. При получении плюсового управляющего импульса Д1 открывается и через него протекает сумма токов I1 в верхней полуобмотке I трансформатора и iC1 заряда конденсатора С. Ток iC индуктирует в нижней полуобмотке II э. д. с., равную э. д. с. в обмотке I, но противоположную по знаку. В результате конденсатор С заряжается до напряжения, равного удвоенному напряжению источника питания, т. е. до Uc.
Рис. 101. Схемы двухтактною тиристорного преобразователя
Когда следующий управляющий импульс открывает тиристор Д2, к тиристору Д1 прикладывается обратное анодное напряжение 2Uб. Разрядный ток коммутирующего конденсатора С, направленный навстречу прямому току тиристора Д1, прекращает его и запирает этот тиристор. Управляющие свойства тиристора Д1 восстанавливаются, и он может быть включен снова только повторным управляющим импульсом. Ток через открывшийся теперь тиристор Д2 определяется током I2 в полуобмотке II и током tC2 в конденсаторе С, который начинает перезаряжаться до напряжения Uc = 2Uб с противоположной полярностью.
Далее вновь открывается тиристор Д1 и процесс повторяется.
В результате периодического изменения токов в полуобмотках I и II в обмотке III наводится переменный ток, который далее выпрямляется выпрямительной схемой ВС и сглаживается фильтром Ф. Таким образом, на выходе преобразователя создается постоянный ток при напряжении UН. Дроссель Др ограничивает ток батареи в те очень короткие промежутки времени, когда оба тиристора открыты одновременно.
Применяются также тиристорные преобразователи, собранные по мостовой схеме (рис. 101, б). На этой схеме для упрощения не показаны мультивибратор и провода, соединяющие его с тиристорами, а выводы управляющих электродов тиристоров обозначены кружками. Работа схемы проходит следующим образом. Вначале управляющие импульсы от мультивибратора поступают одновременно на тиристоры Д1 и Д4. Тиристоры открываются и через них протекает ток в обмотку I трансформатора Тр. Кроме того, коммутирующий конденсатор CI зарядится до напряжения источника тока Б. Через половину периода мультивибратор пошлет управляющие импульсы на тиристоры Д2 и Д3 и они открываются, но в этот момент положительные потенциалы на аноде и катоде тиристора Д1, создаваемые совместным действием батареи Б и конденсатора С1, сравниваются и он закроется.
Аналогично сравняются отрицательные потенциалы на аноде и катоде тиристора Д4 и этот тиристор также закроется. Через половину периода тока мультивибратора снова откроются тиристоры Д1 и Д4и закроются тиристоры Д2 и Д3. Такая схема включения пар тиристоров будет происходить все время работы преобразователя. При этом через обмотку I трансформатора Тр будут проходить импульсы тока противоположных направлений, которые будут индуктировать переменный ток в обмотке II. Этот переменный ток выпрямляется выпрямительной схемой ВС и сглаживается фильтром (Др2, С2 и С3). Полупроводниковые преобразователи постоянного тока часто дополняются стабилизаторами выходного напряжения.
Наряду с описанными выше конверторами относительно больших мощностей, на практике получают также применение конверторы небольшой мощности, действие которых основывается на принципе работы компенсационных импульсных стабилизаторов напряжения (см. § 54).