Привет студент. Двухтактные схемы и основы их расчета Схемы двухтактных преобразователей напряжения для питания милливольтметра

Двухтактный инвертор, построенный по базе эмиттерного повторителя мощности, представляет собой двухтактный импульсный источник тока, с малым весом и небольшими габаритами. Используется для зарядки аккумуляторов при стабильном напряжении. Максимального ток, установленный в начале заряда, снижается к концу до состояния буферного подзаряда - это близко по характеристике к зарядке аккумуляторов в автомобилях.
В источнике тока применены радиокомпоненты устаревших блоков питания компьютеров и мониторов.

Основные функциональные части схемы зарядного устройства:
1. Входные цепи защиты от перегрузок и замыканий.
2. Сетевой помехоподавляющий двухзвенный фильтр.
3. Сетевой выпрямитель.
3. Сглаживающий фильтр высокого напряжения.
4. Силовой инвертор на базе эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах.
5. Цепи передачи и формирования сигнала обратной связи стабилизации по напряжению.
6. Генератор импульсов прямоугольной формы.
7. Регулятор выходного тока.
8. Выпрямитель вторичного напряжения.
9. Цепи защиты и индикации нагрузки.

В схеме двухтактного инвертора происходит тройное преобразование напряжения: переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается до постоянного тока, далее преобразуется в импульсное, с частотой до нескольких десятков килогерц, трансформируется в низковольтную цепь и выпрямляется. Напряжение вторичной цепи используется для зарядки аккумуляторов.
Цепь отрицательной обратной связи позволяет заряжать аккумуляторы или питать нагрузку стабилизированным напряжением.
Двухтактная схема инвертора содержит транзисторы, пониженной по сравнению с обратноходовой схемой, мощностью и напряжением.
Цепи обратной связи на оптопаре и импульсный трансформатор гальванически разделяют высокое сетевое напряжение инвертора от низковольтных цепей.
Низковольтный узел оснащен мощными лавинными диодами в сборке, индикацией низкого напряжения и тока нагрузки.
Стабилизация выходного напряжения выполнена введением в схему цепи отрицательной обратной связи по напряжению, а повышение температуры транзисторов от перегрева контролируется терморезистором.

Основные технические характеристики:

Напряжение питания. В - 165...240
Выходное напряжение. В - 12...16
Выходной ток нагрузки. А - 10
Частота преобразования, кГц - 22...47

Схема

Входной помехоподавляющий фильтр состоит из двухобмоточного дросселя Т2 (рис. 1) и конденсаторов С13, С14, которые позволяют снизить помехи преобразователя в сеть и устранить возможность проникновения импульсных помех из сети питания.

Сетевое напряжение с фильтра поступает на выпрямитель VD7 через предохранитель FU1 и выключатель сети SA1.

Сетевой выпрямитель дополнен сглаживающим фильтром из конденсаторов большой емкости С8, С9, шунтированных резисторами R12, R13 для выравнивания напряжений. Терморезистор RK2 ограничивает ток заряда конденсаторов при подаче сетевого напряжения.
Высокочастотный трансформаторЛ инвертора одним выводом подключен к средней точке соединения конденсаторов С8, С9, а вторым - к точке соединения транзисторов двухтактного преобразователя, через разделительный конденсатор С7.

Ввод резистора R15 в колебательный контур снижает добротность обмотки трансформатора и ускоряет затухание колебательного процесса.
Транзисторы VT2, VT3 зашунтированы быстродействующими диодами VD4, VD5 от пробоя обратными токами.

Разделительный конденсатор С7 устраняет подмаг-ничивание магнитопровода трансформатора Т1 инвертора, при разбросе параметров конденсаторов С7, С8 и неверной установке половины питающего напряжения в средней точке соединения транзисторов VT2, VT3.
Ввиду низкого коэффициента передачи мощных транзисторов инвертора в схему добавлен биполярный транзистор VT1.

Установка половины напряжения источника питания в точке соединения транзисторов VT2, VT3 выполняется подбором номинала сопротивления резистора R8.

Диод VD3 ускоряет переключение эмиттерного повторителя на транзисторах VT1, VT2.
Нагрузкой эмиттерного повторителя является транзистор VT3, работающий в статическом режиме с заземленной, по переменному току, базой. По постоянному току на базу транзистора VT3, через резистор R8, подано небольшое смещение для создания напряжения на коллекторе, близкого к половине питающего напряжения.

Задающий генератор выполнен на аналоговом таймере DA1.
Микросхема содержит: два операционных усилителя, работающих в качестве компараторов; RC-триггер; выходной усилитель и ключевой транзистор для разряда внешнего время-зарядного конденсатора С1.

С вывода 3 генератора микросхемы DA1 снимаются импульсы прямоугольной формы. При высоком уровне на выходе 3 DA1 импульс через интегральную RC-цепь R5, С4 поступает на базу транзистора VT1 составного эмиттерного повторителя, транзистор открывается и открывает мощный биполярный транзистор VT2. Конденсатор С7 заряжается от положительной шины источника питания. В первичной цепи трансформатора Т1 возникнет импульс тока. По окончанию положительного импульса с вывода 3 микросхемы DA1 внутренним триггером вывод 7 DA1 переключается в проводящее состояние относительно минуса питания микросхемы DA1, база транзистора VT1 замыкается на минус питания микросхемы, конденсатор С4 также ускоренно разряжается. Транзисторы эмиттерного повторителя закрываются и конденсатор С7 разряжается через открытый транзистор VT3.

Для правильного согласования импульсов генератора на переход база-эмиттер повторителя VT1, VT2 инвертора, питание генератора выполнено от положительной шины высоковольтного источника питания через ограничивающий напряжение резистор R10, со стабилизацией стабилитроном VD2. Минус питания микросхемы взят со средней точки соединения транзисторов VT2, VT3. С приходом последующего импульса с генератора на вход эмиттерного повторителя, транзисторы VT1, VT2 открываются и процесс повторяется.

Непрерывная последовательность импульсов в первичной обмотке высокочастотного трансформатора Т1 активирует появление высокочастотного напряжения во вторичной обмотке трансформатора и тока на нагрузке ХТЗ, ХТ4.
Выводы 2 и 6 входа компараторов микросхемы DA1 переключают внутренний триггер в зависимости от уровня напряжения на конденсаторе С1, время заряда которого зависит от номиналов RC-цепи R1, R2, С1.

Вывод 5 DA1 позволяет получить прямой доступ к точке делителя с уровнем 2/3 напряжения питания, являющейся опорной для работы верхнего компаратора. Использование данного вывода позволяет менять этот уровень для получения модификаций схемы.
Конструктивное использование данного вывода в цепи отрицательной обратной связи позволяет реализовать стабилизацию выходного напряжения.

Напряжение с нагрузки через терморезистор RK1 поступает на установочный переменный резистор R14, которым регулируется напряжение на нагрузке. При повышении напряжения на зажимах ХТЗ, ХТ4 усилитель на параллельном стабилизаторе DA2 увеличивает яркость светодиода оптопары U1, транзистор оптопары открывается и снижает напряжение на выводе 5 DA1. Частота генератора возрастает. Длительность выходных импульсов сокращается, что приводит к снижению напряжения на нагрузке.

Параллельный стабилизатор DA2 служит в качестве усилителя сигнала рассогласования уровня напряжения на нагрузке и работает в линейном режиме. Установка в этой цепи транзисторного усилителя нежелательна из-за разброса параметров и существенного воздействия внешней температуры.

Повышение температуры ключевых транзисторов VT2, VT3 инвертора приведет к понижению сопротивления терморезистора RK1 и к снижению скважности импульсов и мощности в нагрузке.
Питание микросхемы DA1 выполнено от высокого напряжения инвертора через ограничитель напряжения на резисторе R10 и стабилизировано диодом VD2.

Выпрямитель вторичной цепи выполнен на мощной паре лавинных диодов VD6, собранных в сборку, индикация полярности наличия вторичного напряжения индицируется светодиодом HL1. Конденсатор СЮ сглаживает пульсации напряжения в низковольтных цепях.

Печатная плата, детали
Печатная плата электронной схемы состоит из двух частей (рис. 2 и рис. 3), соединенных проводниками.
Таймер DA1 с пониженным энергопотреблением серии 7555 заменим на серию 555 с микромощным энергопотреблением.
Сетевой диодный мост VD7 на напряжение не ниже 400 В и ток более 3 А, низковольтный выпрямитель
VD6 на напряжение не ниже 50 В и ток не менее 20 А заменим на сборку S40D45C от компьютерных блоков питания.
Транзисторы VT2.VT3 подойдут на напряжение не ниже 300 В и ток более 3 А - типа 2SC2555, 2625, 3036, 3306, 13009 с установкой на радиатор с изолирующими прокладками.

Алюминиевые оксидные конденсаторы фирм “Nicon” или REC.
Оптроны - из серии LTV817, РС816.
Трансформатор Т1 применен без перемотки от блока АТ/ТХ питания компьютера. Обмотка 1Т1 составляет 38 витков провода диаметром 0,8 мм, вторичная -имеет две обмотки по 7,5 витков каждая, сечением 4*0,31 мм в жгуте.
Трансформатор Т2 - двухобмоточный сетевой дроссель фильтра.
Катушка L1 - дроссель фильтра, 10 витков провода диаметром 1 мм на ферритовом кольце 20 мм.

Наладка

Регулировка схемы заключается в проверке режимов питания. Резистором R8 установить на эмиттере VT3 напряжение равное половине напряжения источника питания - около 150 В.

Питать схему инвертора во время испытаний необходимо через переходной трансформатор 220/220 В * 100 Вт, для устранения возможных электротравм.
Перед запуском в цепь сетевого питания вместо предохранителя FU1 подключается лампочка 220 В * 100 Вт, вместо нагрузки подключить автомобильную лампочку на 12-24 В * 50 свечей.

Повышенная яркость сетевой лампочки и отсутствие свечения лампочки в нагрузке указывают на неисправности в схеме.
При слабом свечении сетевой лампочки и ярком свечении лампочки нагрузки, с наличием регулировки яркости, подтверждается рабочее состояние схемы.

После непродолжительной работы схему отключить от сети и проверить радиокомпоненты на нагрев.
При наладке и испытании устройства следует соблюдать Правила техники безопасности.

Рисунки печатной платы в формате lay6 (файл The-push-pull-inverter.zip) вы можете загрузить с нашего сайта: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера

Владимир Коновалов, Александр Вантеев
г. Иркутск-43, а/я 380

Литература
1. Илья Липавский. Гибридный усилитель мощности на базе повторителя Andrea Ciuffoli. - РадиоХобби, №2, 2009, с. 49.
2. . - Солон-Пресс, г. Москва, 2003, с. 108-142.
3. В. Коновалов. Методические разработки и статьи. - Иркутск, 2009.
Скачать: Двухтактный инвертор на базе эмиттерного повторителя мощности
В случае обнаружения "битых" ссылок - Вы можете оставить комментарий, и ссылки будут восстановлены в ближайшее время.

Другие новости

В двухтактных преобразователях более эффективно используется магнитопровод импульсного трансформатора. В таких схемах не требуется бороться с намагничиванием сердечника, что позволяет уменьшить его габариты. Выходное напряжение получается симметричным. Кроме того, транзисторы преобразователя работают в более легком режиме.

Иногда для небольшой мощности (до 15 Вт) используют самый простой преобразователь, выполненный по схеме автогенератора (рис. 4.16, а). Эта схема не критична к применяемым деталям, но подбор рабочей точки режима работы транзисторов при помощи резистора R2 может улучшить характеристики устройства (иногда параллельно R2 устанавливают конденсатор). Делитель из резисторов R1-R2 обеспечивает необходимый начальный ток для запуска работы автогенератора.

Рис. 4.16. Схемы двухтактных автогенераторов

Используемые универсальные транзисторы 2N3055 заменяются подобными отечественными КТ818ГМ, КТ8150А, а если изменить полярность подаваемого питания, то можно применять и p-n-р транзисторы. Питающее напряжение схемы может быть от 12 до 24 В. Для длительной работы устройства транзисторы необходимо установить на радиаторы.

Трансформатор может быть выполнен на ферритовом М2000НМ1 кольцевом магиитопроводе, его рабочее сечение зависит. от мощности в нагрузке. Для упрощенного выбора можно воспользоваться рекомендациями, см. табл. 4.5.

Таблица 4.5. Допустимая максимальная мощность для кольцевых ферритовых магнитопроводов марки М2000НМ1

При изготовлении трансформатора Т1 обмотки 1 и 2 наматываются одновременно, но фазировка подключения их должна соответствовать показанной на схеме. Для сечения кольцевого магнитопровода типоразмера К32х20х6 обмотки 1 и 2 содержат по 8 витков (провод ПЭЛ диаметром 1,2...0,81 мм); 3 и 4 по 2 витка (0,23 мм); 5 - число витков вторичной обмотки зависит от необходимого напряжения (0,1...0,23 мм).

С помощью этой схемы можно получать напряжение до 30 кВ, если применить магнитопровод от трансформаторов, используемых в современных телевизорах.

Аналогичная схема автогенератора, выполненная на полевых транзисторах, приведена на рис. 4.16, б. Она позволяет использовать более простой трансформатор, в котором не нужны обмотки обратной связи. Стабилитроны VD1, VD2 предотвращают появление на затворах транзисторов опасных напряжений.

Рабочая частота таких схем задается параметрами магнитопровода трансформатора и индуктивностью обмоток, так как от этого зависит задержка сигнала обратной связи (лучше если частота будет находиться в диапазоне 20...50 кГц).

В качестве недостатка данных схем можно отметить низкий КПД, что затрудняет их применение при большой мощности, а также нестабилизированное выходное напряжение, которое может сильно меняться в зависимости от изменения напряжения питания. Более удачная схема двухтактного преобразователя, выполненная с использованием специализированной микросхемы (рис. 4.17), отличается высоким КПД и может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке.

Рис. 4.17. Схема двухтактного импульсного преобразователя

Преобразователь выполнен на широко распространенной микросхеме ШИМ-контроллере Т114ЕУ4 (полный импортный аналог TL494), что позволяет сделать схему довольно простой. В нормальном состоянии (при нулевом напряжении на затворе) транзисторы VT1, VT2 закрыты и открываются импульсами с соответствующих выходов микросхемы. Резисторы R7-R9 и R8-R10 ограничивают выходной ток микросхемы, а также величину напряжения на затворе ключей. Цепь из элементов C1-R2 обеспечивает плавный выход на рабочий режим при включении питания (постепенное увеличение ширины импульсов на выходах микросхемы). Диод VD1 предохраняет повреждение элементов схемы при ошибочном подключении полярности питания.

Диаграммы напряжений, поясняющие работу, показаны на рис. 4.18. Как видно на рисунке (а), задний фронт импульса имеет большую длительность, чем передний. Это объясняется наличием емкости затвора полевого транзистора, заряд которой рассасывается через резистор R9 (R10) во время, когда выходной транзистор микросхемы закрыт. Это увеличивает время закрывания ключа. Так как в открытом состоянии на полевом транзисторе падает напряжение не более 0,1 В, потери мощности в виде небольшого нагрева VT1 и VT2 происходят в основном за счет медленного закрывания транзисторов (именно этим ограничена максимальная допустимая мощность нагрузки).

Рис. 4.18. Диаграммы напряжений

Параметры данной схемы при работе на лампу мощностью 100 Вт приведены в табл. 4.6. В холостом ходу потребляемый ток составляет 0,11 А (9 В) и 0,07 А (15 В). Рабочая частота преобразователя около 20 кГц.

Таблица 4.6. Основные параметры схемы

Трансформатор Т1 выполнен на двух сложенных вместе кольцевых сердечниках из феррита марки М2000НМ1 типоразмера К32х20х6. Параметры обмоток указаны в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Параметры обмоток трансформатора Т1

До намотки острые грани сердечника необходимо закруглить надфилем или грубой наждачной бумагой. При изготовлении трансформатора сначала наматывается вторичная обмотка. Намотка выполняется виток к витку, в один слой с последующей изоляцией лакотканью или фторопластовой лентой. Первичные обмотки 1 и 2 наматываются двумя проводами одновременно, как это показано на рис. 4.19 (равномерно распределив витки на магнитопроводе). Такая намотка позволяет значительно уменьшить выбросы напряжения на фронтах при закрывании полевых ключей. Транзисторы устанавливаются на теплоотвод, в качестве которого применен дюралевый профиль (рис. 4.20).

Рис. 4.19 Вид конструкции импульсного трансформатора

Рис. 4.20. Конструкция радиатора

Радиаторы закрепляются на краях печатной платы. Односторонняя печатная плата из стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм имеет размеры 110x90 мм (см. рис. 4.21 и 4.22).

Рис. 4.21. Топология печатной платы

Рис. 4.22. Расположение элементов

Данную схему можно использовать для питания нагрузки, постоянно потребляющей мощность до 100 Вт. Для большей мощности необходимо уменьшить время переключения полевых ключей. Это позволяют сделать специально разработанные микросхемы, имеющие комплементарный выходной каскад, предназначенный для управления мощными полевыми транзисторами, например, К1156ЕУ2, UC3825.

В качестве силовых ключей на мощность до 60 Вт в приведенной схеме можно также применять транзисторы N-типа со статической индукцией КП958А (BCIT- Bipolar Static Induction Transistor). Они разработаны специально для работы в высокочастотных источниках питания. Физика работы такого транзистора близка к работе обычного биполярного, но из-за конструктивных особенностей он имеет ряд преимуществ:

1) низкое падение напряжения исток-сток в открытом состоянии;
2) повышенный коэффициент усиления;
3) высокое быстродействие при переключении;
4) повышенная устойчивость к тепловому пробою.

В этом случае транзисторы лучше подобрать с одинаковыми параметрами, а резисторы R9 и R10 уменьшить до 100...150 Ом.

Многие радиолюбители за свою практику пытались своими руками собрать инвертор напряжения. В этой статье я расскажу о конструкции сверхпростого инвертора, который предназначен для получения сетевого напряжения 220 Вольт из автомобильного аккумулятора. Мощность такого инвертора невелика, но это один из самых простых вариантов, который может существовать.

Как указал выше, схема из себя представляет выполненный всего на двух мощных полевых ключах. Можно использовать буквально любые N-канальные полевые транзисторы с током 40 Ампер и более. Отлично подходят дешевые полевики серии IRFZ44/46/48, в целях увеличения выходной мощности можно применить более мощные полевые транзисторы серии IRF3205 - выбор огромный, я перечислил только самые ходовые транзисторы, которые можно найти почти в любом магазине радиодеталей.

Трансформатор может быть намотан на кольце или броневом сердечнике Е50, сердечник тоже не критичен, лишь бы обмотки поместились. Первичная обмотка мотается двумя жилами провода 0,8мм (каждая) и состоит из 2х15 витков. При использовании броневых сердечников с двумя секциями на каркасе, первичка мотается в одном из секций, как в моем случе. Вторичная обмотка состоит из 110-120 витков медного провода с диаметром 0,3-0,4мм. Ставить межслойные изоляции не нужно. На выходе трансформатора образуется переменное напряжение номиналом 190-260 Вольт, но форма выходных импульсов прямоугольная, вместо сетевого синуса.

Частота такого отклоняется от сетевой, поэтому подключать к преобразователю активные нагрузки довольно рискованно, хотя практика показывает, что на выход можно подключить и активные нагрузки с импульсным блоком питания.

Практическое применение двухтактного инвертора

Преобразователь без проблем может питать лампы накаливания, ЛДС, маломощные паяльники и т.п., мощность которых не превышает 70 ватт. Полевые ключи устанавливают на теплоотводы, в случае использования общего теплоотвода не забудьте использовать изолирующие прокладки.

Корпус - ваша фантазия, у меня он был взят от китайского электронного трансформатора на 150 ватт. КПД этой схемы двухтактного преобразователя может доходить до 70%. автор статьи - АКА КАСЬЯН.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

На рис. 5 представлена схема двухтактного транзисторного каскада усиления с трансформаторным входом и выходом.

Верхнее плечо усилителя образует транзистор VТ 1 и верхние полуобмотки трансформаторов ТV 1 и ТV 2, нижнее плечо включает в свой состав транзистор VТ 2, нижние полуобмотки трансформаторов ТV 1 и ТV 2. В идеальном случае оба плеча совершенно одинаковы и схема симметрична относительно горизонтальной оси, проходящей через средние точки трансформаторов.

Усилитель может работать как в режиме класса А , так и класса В . Для перевода каскада в режим В достаточно уменьшить напряжение смещения на R 2 (увеличить сопротивление R 1 и уменьшить R 2 , либо исключить цепи смещения) до величины обеспечивающей, угол отсечки 90 0 . Рассмотрим режим класса В .

Характеристика схемы . Двухтактный каскад усиления с трансформаторным входом и выходом, последовательного коллекторного питания, со смещением постоянным напряжением, создаваемым током делителя на резисторах R 1, R 2, собран на транзисторах типа n-p-n по схеме с ОЭ, работающих в режиме класса В .

Назначение элементов. Трансформатор ТV 1 предназначен для получения двух одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжений, а также согласования сопротивлений источника сигнала с входным сопротивлением усилителя.

Трансформатор ТV 2 обеспечивает согласование сопротивлений нагрузки с выходным сопротивлением коллекторных цепей транзисторов.

Конденсатор С бл1 блокирует R 2 по переменному току, уменьшая потери переменной составляющей входного сигнала.

Делитель R 1 , R 2 обеспечивает требуемое положение НРТ на характеристиках транзисторов.

Принцип работы схемы. При отсутствии входного сигнала (U 1 =0) и включенном источнике питания протекает ток делителя. На резисторе R 2 создаётся напряжение смещения, величина которого обеспечивает положение НРТ в начале проходных статических характеристик транзисторов. Оба транзистора закрыты. Через трансформатор ТV2 ток не протекает и напряжение на выходе равно нулю. Таким образом, в статическом режиме постоянные токи через транзисторы не протекают, т.е. в режиме В ток покоя транзисторов практически равен нулю, что уже предопределяет пониженный расход тока питания.

При подаче на вход схемы переменного напряжения, например, гармонического сигнала (U 1 ¹ 0) на вторичных обмотках трансформатора ТV1 образуются два вторичных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 180 0 (см. рис. 5). В результате один из транзисторов, например, верхний VT1 переходит в активный режим (открывается) и форма тока через него повторяет форму приложенного напряжения. Импульс тока через верхний трансформатор протекает по цепи: +Е k , верхняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е k . Он индуцирует по вторичной обмотке TV2 импульс тока, протекающий через нагрузку. И в то же время нижний транзистор находится в режиме отсечки и через нижнюю полуобмотку трансформатора ток не протекает.

При смене полярности входного напряжения состояние транзисторов изменяется на противоположное. В этом случае импульс тока под воздействием входного сигнала протекает в нижнем плече каскада по цепи: +Е k , нижняя полуобмотка ТV2, К, КП, ЭП, Э, ┴, -Е k . В результате во вторичной обмотке трансформатора ТV2 возбуждается ток обратного направления.

Таким образом, через нагрузку протекает ток, форма которого совпадает с формой управляющего напряжения (U 1). Временные диаграммы управляющего напряжения, токов через транзисторы, нагрузку и через источник питания приведены на рис. 6.

Как следует из рисунка ток, протекающий через транзисторы, представляет собой косинусоидальные импульсы с длительностью, равной половине периода управляющего напряжения. Транзисторы здесь работают строгопоочередно: каждый пропускает полуволну тока только в свой полупериод колебания (рис. 6). Во вторую половину периода он заперт и тока от источника питания не потребляет. В этот полупериод работает второй транзистор. Такой режим называют режимом класса В . Токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 можно представить в виде ряда Фурье:

Поскольку точки i k1 и i k2 обтекают половины обмоток ТV2 в противоположных направлениях, то результирующий магнитный поток, создаваемый ими, пропорционален их разности. Ток через нагрузку пропорционален магнитному потоку, следовательно, для тока в нагрузке можно записать

Ток в цепи питания усилителя равен сумме токов плеч:

Из полученных результатов следует:

1. Поскольку выходной ток содержит только нечётные гармоники , в двухтактном каскаде происходит компенсация чётных гармоник токов плеч в нагрузке . Это позволяет снизить уровень нелинейных искажений, используя экономичный режим В .

2. На выходе каскада будут компенсироваться все помехи , наводимые синфазно в плечах как от источника питания, так и от других источников. Это снижает чувствительность усилителя к пульсациям питающего напряжения, что позволяет упростить сглаживающие фильтры в цепях питания.

3. Разностный ток плеч не содержит постоянной составляющей тока , при этом отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора. Это позволяет использовать данный трансформатор при более высоком уровне выходного сигнала или при заданной выходной мощности существенно снизить его габариты, массу, стоимость.

Поскольку токи через транзисторы протекают лишь в часть периода, а в остальное время транзистор закрыт, то уменьшается мощность рассеяния транзистора , что позволяет в двухтактной схеме усилителя применить транзистор, рассеивающий на порядок меньшую мощность, чем транзистор в однотактном каскаде, работающем в режиме класса А при той же полезной мощности. Расчёты показывают, что КПД в двухтактном каскаде может приблизиться к 78,6 %. Это достигается большим коэффициентом использования коллекторного напряжения и малой величиной постоянной составляющей тока коллектора (режим класса В ).

Форма частотных характеристик усилителя мощности определяется частотными свойствами трансформатора . Аналитические выражения для АЧХ совпадают с аналогичными выражениями для однотактного трансформаторного каскада.

Недостатки трансформаторного каскада :

· большие размеры, масса и стоимость;

· сравнительно узкая полоса рабочих частот;

· искажения и большие фазовые сдвиги на краях полосы пропускания, что препятствует охвату оконечного каскада глубокой ООС, так как нарушается устойчивость;

· наличие трансформаторов обусловливает невозможность интегрального исполнения УМ. Существуют дополнительные потери полезной энергии в трансформаторах, их КПД обычно составляет 0,7 ¸ 0,9.

Кроме того, режим В хотя и обеспечивает высокий КПД, но вносит повышенные нелинейные искажения, обусловленные кривизной начального участка передаточной характеристики транзисторов I к (U бэ), вследствие чего совмещенная характеристика обоих транзисторов (рис. 7, а ), представляющая зависимость их разностного тока, имеет подобие ступеньки в окрестности перехода через нуль.

Это вызывает так называемые центральные ступеньки на синусоиде разностного тока (рис. 7, б ), а значит, и выходного напряжения.

Для их устранения применяется режим АВ, в котором подается небольшое исходное смещение НРТ А1 и А2 транзисторов так, что они оказываются на середине начальных криволинейных участков передаточных характеристик (рис. 8, а ). Совмещая характеристики транзисторов по напряжению U бэ точками А1 и А2, видим, что характеристика разностного тока получается прямой (штриховая линия на рисунке) и ступенек не возникает (рис. 8, б ). В режиме АВ при малых токах работают оба плеча одновременно подобно режиму А и нелинейность характеристик плеч взаимно компенсируется.

В режиме АВ при малых амплитудах КПД оконечного каскада понижается (по сравнению с режимом В). Однако общий КПД всего усилителя понижается мало, так как ток покоя оконечных транзисторов обычно бывает меньше общего тока питания предварительных каскадов. Режим АВ для двухтактных каскадов является самым распространенным, поскольку обеспечивает высокий КПД и небольшие нелинейные искажения.

Двухтактные бестрансформаторные каскады

Бестрансформаторные схемы получают всё большее применение. При их реализации легко осуществлять непосредственную связь между каскадами (без разделительных конденсаторов). Они имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко выполняются по интегральной технологии, т.к. не содержат громоздкие трансформаторы. Чаще всего бестрансформаторные усилители собирают по двухтактной схеме и работают они в основном в режиме АВ.

Название "бестрансформаторный каскад" в общем случае носит условный характер; дело в том, что, как правило, в усилителях применяются двух-трех элементные составные транзисторы в каждом плече. Поэтому плечо представляет собой двух-трехкаскадный усилитель.

На рис. 9 приведена одна из распространенных схем двухкаскадного бестрансформаторного усилителя мощности с параллельным управлением транзисторами оконечного двухтактного каскада (на VT 2 и VT 3) однофазным переменным напряжением.

Для исключения необходимости двух источников питания сопротивление нагрузки R н подключено через разделительный конденсатор C 2 к одному из полюсов источника E п. Это возможно потому, что через нагрузку протекает только переменный ток. Напряжение между выводами конденсатора C 2 почти постоянно и близко к E п /2. В режиме АВ, в полупериод когда транзистор VT 3 открывается, конденсатор С 2 в цепи нагрузки включается последовательно с источником Е п и их напряжения вычитаются, так что итоговое напряжение питания одного плеча равно Е п - Е С2 = Е п /2, а конденсатор С 2 частично заряжается током транзистора VT 3. В полупериод работы транзистора VT 2 конденсатор с напряжением E C 2 = Е п /2 служит источником питания и частично разряжается.

В схемах бестрансформаторных каскадов большой мощности возникает затруднение в выборе комплементарной пары мощных транзисторов с совпадающими или близкими параметрами. Выход - применение в плечах двухкаскадной схемы выходного каскада составных транзисторов.