Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne cz.26 - przetwornice pracujące z impulsami o wypełnieniu 50%

Zgodnie z zapowiedzią, w tym odcinku mamy zająć się przetwornicami pracującymi z impulsami o wypełnieniu dokładnie 50%, w szczególności prostymi, które o dziwo wykorzystują zjawisko nasycenia rdzenia.
Article Image

Omówienie przetwornic, w których wykorzystywane jest nasycenie rdzenia

Aby omówić przetwornice, w których wykorzystywane jest nasycenie rdzenia, należy cofnąć się o dobre kilkadziesiąt lat i przypomnieć schemat pokazany na rysunku 1, zamieszczony w pochodzącej z połowy roku 1955 pracy Georga H. Royera A switching Transistor D-C to A-C Converter Having an Output Frequency Proportional to the D-C Input Voltage.

Przeanalizuj ten prosty schemat! Współczesny elektronik najprawdopodobniej powie, że taki układ nie może działać z uwagi na brak polaryzacji baz tranzystorów. Ściślej biorąc, układ mógłby działać, ale nie może zacząć pracy, bo po włączeniu zasilania oba tranzystory są zatkane.

Rys.1 Schemat przetwornicy z roku 1955 (Georga H. Royera)

Aby wyjaśnić wątpliwości, należy przypomnieć, że za datę wynalezienia tranzystora bipolarnego uznaje się rok 1947. Pierwsze tranzystory, jakie na przełomie lat 40./50. pojawiły się na rynku, zbudowane były z germanu. Były bardzo niedoskonałe. Miały niezbyt duże wzmocnienie. Najczęściej do dziś stosowane tranzystory bipolarne, jakimi (przynajmniej w Europie) były BC547, BC548 i ich odpowiedniki SMD, typowo mają wzmocnienie prądowe rzędu 200...300x.

Najstarsi Czytelnicy pamiętają, że w początkach epoki tranzystorów, dla amatorów atrakcyjne były nawet tranzystory o wzmocnieniu prądowym rzędu 10x, a nawet 5x (zresztą na początku tylko takie mniej wartościowe egzemplarze były dostępne dla amatorów, bo te lepsze były wykorzystywane do celów profesjonalnych). W kontekście omawianego wątku znacznie bardziej istotny jest fakt, że tranzystory germanowe, a w szczególności pierwsze, niedoskonałe tranzystory, miały stosunkowo duży prąd zerowy.

Dla współczesnego elektronika-hobbysty problem prądów zerowych tranzystorów praktycznie nie istnieje, ale w przypadku tranzystorów germanowych był to istotny czynnik, w większości zastosowań negatywny.

Fot.2 Tranzystor Westinghouse 2N74

Jednak w omawianym przypadku prądy zerowe były czynnikiem umożliwiającym rozpoczęcie pracy podstawowej wersji przetwornicy, którą chcemy omówić. Według opisu, zrealizowana ona została w połowie lat 50. na tranzystorach Westinghouse 2N74 (fotografia 2 ze strony www.wylie.org.uk/technology/semics/2Nseries/2Nseries.htm).

Były to jedne z pierwszych tranzystorów i dziś nie sposób znaleźć ich dokładnych danych katalogowych. Dostępna jest tylko informacja, że były to germanowe tranzystory przełączające PNP o dopuszczanym napięciu pracy 50V i mocy strat 200mW. W każdym razie na pierwszej stronie wspomnianego opracowania zamieszczony jest wykres – charakterystyka, gdzie zaznaczono punkt pracy uwzględniający znaczny prąd zerowy kolektora – rysunek 3.

Rys.3 Tranzystory Westinghouse 2N74 (wykres – charakterystyka)

I właśnie w przypadku tranzystorów germanowych o stosunkowo dużych prądach zerowych możliwe jest rozpoczęcie pracy przetwornicy z rysunku 1. Mianowicie układ nigdy nie jest idealnie symetryczny, choćby z powodu rozrzutu produkcyjnego tranzystorów. Po włączeniu zasilania popłyną nieduże prądy zerowe kolektorów tranzystorów (o wartościach rzędu mikroamperów).

Prądy te popłyną przez uzwojenia transformatora. Przepływ, a ściślej narastanie tych prądów wywoła powstanie (indukowanie) małych napięć w uzwojeniach, a to oznacza pojawienie się niewielkich napięć baza-emiter tranzystorów. W przypadku tranzystorów germanowych już małe zmiany napięć UBE rzędu miliwoltów spowodują zmianę prądu kolektorów.

Przy idealnej symetrii zmiany te byłyby jednakowe, ale w praktyce, z uwagi na nieuniknione różnice, jeden z tranzystorów będzie się zatykał, a drugi otwierał. Można powiedzieć, że ten z tranzystorów, który zacznie się szybciej otwierać, wskutek występującego w układzie dodatniego sprzężenia zwrotnego będzie się jeszcze szybciej otwierał i dojdzie do jego pełnego otwarcia (nasycenia tranzystora).

Drugi tranzystor zostanie zatkany. Ilustruje to rysunek 4a, pokazujący wersję z tranzystorami NPN. Gdy tranzystor T1 zostanie otwarty, biegunowość napięć na uzwojeniach jest taka, że utrzymuje T1 w stanie nasycenia (pełnego otwarcia) i T2 w stanie zatkania. Wobec tego przez uzwojenie N1 będzie płynął liniowo rosnący prąd kolektora T1.

Rys.4 Praca przetwornicy - ilustracja

Jeszcze raz możemy przypomnieć podstawowy wzór U = L (ΔI/Δt). Prąd kolektora T1 musi narastać z taką prędkością (ΔI/Δt), żeby w uzwojeniu N1 wytworzyło się napięcie samoindukcji U, w idealnym przypadku dokładnie równe napięciu baterii (UZ). A napięcia w innych uzwojeniach będą wtedy proporcjonalne, stosownie do liczby zwojów uzwojeń. Prąd płynący w uzwojeniu N1 będzie narastał aż do...

Jeśli elementy byłyby idealne, prąd liniowo rósłby do nieskończoności z prędkością wyznaczoną m.in. przez napięcie zasilania. W realnym układzie z transformatorem mającym rdzeń ferromagnetyczny prąd będzie rósł liniowo do nasycenia rdzenia, a wtedy zacznie gwałtownie rosnąć, bo nasycenie rdzenia oznacza dramatyczny spadek indukcyjności L. Zazwyczaj w podobnych przypadkach mówimy, że tranzystor ulegnie uszkodzeniu wskutek nadmiernego prądu. W tym przypadku w grę wchodzi kilka czynników

Zauważmy, że w opisywanej sytuacji tranzystor T1 zostaje nasycony dlatego, że w obwodzie jego bazy płynie prąd, wywoływany przez napięcie UB1 indukowane w uzwojeniu NB1 pod wpływem wzrostu prądu kolektora. Gdy rdzeń zaczyna wchodzić w nasycenie, indukcyjność L uzwojenia N1 zaczyna się szybko zmniejszać. Zmniejsza się więc napięcie samoindukcji wytwarzane w uzwojeniu N1, a to powoduje dalszy gwałtowny wzrost prądu tego uzwojenia.

Ten gwałtowny wzrost szybkości prądu (ΔI/Δt) powinien podwyższyć indukowane napięcie U (napięcia we wszystkich uzwojeniach) do wcześniejszego poziomu, ale niestety, przy dalszym wzroście prądu jeszcze bardziej zmniejsza się indukcyjność L. Ponadto tranzystor bipolarny ma jakieś niezbyt duże wzmocnienie prądowe, więc prąd kolektora nie może dowolnie rosnąć.

Warunkiem pełnego otwarcia, czyli nasycenia tranzystora (nie transformatora), jest odpowiednio duży prąd bazy. A przy wchodzeniu transformatora (nie tranzystora) w nasycenie zmniejsza się indukcyjność L i zmniejszają się napięcia indukowane w uzwojeniach, w tym w uzwojeniu sterującym bazę aktualnie otwartego i nasyconego tranzystora T1. Zmniejsza się napięcie i prąd bazy tego tranzystora, więc T1 przestaje być nasycony.

Przy wchodzeniu transformatora w nasycenie z jednej strony prąd transformatora chce bardzo silnie rosnąć, ale jednocześnie zmniejszanie indukowanych napięć powoduje słabsze wysterowanie nasyconego wcześniej tranzystora T1, który nie może dostarczyć do tego uzwojenia potrzebnego ogromnego, coraz większego prądu.

W efekcie przy wchodzeniu transformatora w nasycenie napięcia w jego uzwojeniach szybko zmniejszają się do znikomych wartości i wygląda na to, że oba tranzystory zostaną wtedy zatkane… Może nawet pojawić się myśl, że po wytworzeniu pojedynczego impulsu oba tranzystory powinny zostać trwale zatkane… Odpowiedź na pytanie, co stanie się później, nie jest łatwa.

Trzeba wziąć pod uwagę fakt, że przy wchodzeniu transformatora w stan nasycenia jego indukcyjność L nie zmniejsza się do zera, a co najwyżej do wartości takiej, jaką ma dane uzwojenie bez rdzenia, czyli jaką ma cewka powietrzna (transformator powietrzny).

Niewątpliwie gdy dojdzie do nasycenie rdzenia, napięcia indukowane w uzwojeniach stają się radykalnie mniejsze niż w sytuacji pokazanej na rysunku 4a, gdy występowało silne dodatnie sprzężenie zwrotne dzięki napięciu indukowanemu w uzwojeniu NB1. Wejście w nasycenie z jednej strony powoduje nagły wzrost wartości prądu, ale jednocześnie radykalne zmniejszenie dodatniego sprzężenia zwrotnego. Do tego dochodzi kwestia niezbyt dużego wzmocnienia prądowego tranzystora T1. W króciutkim czasie występuje kilka współzależnych zjawisk.

Suma tych zjawisk jest następująca: gdy po pewnym czasie liniowego wzrostu prądu rdzeń zaczyna wchodzić w nasycenie, to najpierw następuje gwałtowny wzrost prądu uzwojenia głównego N1, ale za chwilę jeszcze gwałtowniej zanika dodatnie sprzężenie zwrotne i prąd bazy T1, więc chwilkę po wejściu rdzenia w nasycenie tranzystor T1 gwałtownie się zatyka.

I... ?

I doszliśmy do kluczowego momentu: po dojściu do nasycenia rdzenia, wskutek szybkiego zatykania tranzystora T1, bardzo gwałtownie zmniejsza się prąd uzwojenia N1. A to oznacza, że szybkość zmian prądu (ΔI/Δt) jest ogromna i odwrotna, ujemna. Wcześniej prąd tego uzwojenia powoli rósł i biegunowość indukowanych napięć była taka, jak pokazuje rysunek 4a. Teraz prąd gwałtownie maleje, czyli kierunek zmian prądu jest odwrotny. Rdzeń jest nasycony, więc w istocie mamy do czynienia z transformatorem powietrznym o znikomej indukcyjności uzwojeń.

Ale nadal jest to transformator. Bardzo kiepski, ale jednak transformator. Więc przy gwałtownym zmniejszaniu się prądu w uzwojeniu N1 we wszystkich uzwojeniach też zaindukują się napięcia. Ponieważ prąd uzwojenia N1 zmniejsza się, biegunowość indukowanych napięć będzie odwrotna. Indukcyjności są wtedy malutkie, praktycznie równe indukcyjnościom transformatora powietrznego, ale dzięki temu, że szybkość zatykania tranzystora i zaniku prądu jest duża, nawet w takim transformatorze powietrznym zaindukują się wprawdzie niewielkie, ale znaczące napięcia.

I niewielkie „odwrotne” napięcie indukowane w uzwojeniu N 1B jeszcze bardziej przyspieszy zatykanie i zatka tranzystor T1, natomiast równie niewielkie napięcie z uzwojenia NB2 powinno się okazać na tyle duże, żeby choć trochę otworzyć tranzystor T2.

Możemy też dla ułatwienia przyjąć, że przywróci to do normalnej pracy wcześniej nasycony rdzeń transformatora i uzwojenia odzyskają „normalną” indukcyjność. Jeżeli więc niewielkie napięcie z uzwojenia NB2 choć trochę otworzy tranzystor T2, nastąpi kolejny, analogiczny cykl pracy, w którym sytuacja będzie taka, jak pokazuje rysunek 4b.

Gdy zacznie płynąć prąd kolektora T2, czyli gdy zacznie rosnąć prąd uzwojenia N2, to znów pojawi się silne dodatnie sprzężenie zwrotne, tym razem obejmujące tranzystor T2, który szybko zostanie w pełni otwarty napięciem z uzwojenia NB2. Prąd uzwojenia N2 zacznie liniowo rosnąć i będzie tak liniowo rósł aż do nasycenia rdzenia. Gdy nastąpi nasycenie transformatora, zaniknie to dodatnie sprzężenie zwrotne, gwałtownie zmniejszy się prąd kolektora T2 i prąd uzwojenia T2, a to spowoduje pojawienie się w nasyconym (powietrznym) transformatorze małych napięć o biegunowości jak na rysunku 4a. I znów: jeżeli te małe napięcia choć trochę otworzą tranzystor T1, sytuacja się powtórzy i układ będzie generatorem.

Na kolektorach i wszystkich uzwojeniach występują przebiegi prostokątne. W szczególności na uzwojeniu wtórnym, wyjściowym wystąpi przebieg prostokątny o napięciu zależnym od liczby zwojów, ale w każdym razie wprost proporcjonalnym do napięcia zasilania. Warto dodatkowo zauważyć, że na kolektorze aktualnie zatkanego tranzystora wystąpi napięcie dwa razy większe od napięcia zasilania.

Pochodzący z pewnej znanej książki rysunek 5 pokazuje spodziewane przebiegi w takiej przetwornicy, odpowiadające przedstawionemu opisowi.

Rys.5 Przebiegi w przetwornicy

Jest to rodzaj przetwornicy przepustowej – czerwone wykresy prądu dotyczą sytuacji z obciążeniem RO. Bez obciążenia wyjścia prąd pomału narastałby według wcześniejszego opisu mniej więcej tak, jak pokazują niebieskie odcinki. Gdy wyjście jest obciążone, oprócz tej małej („niebieskiej”) składowej magnesującej płyną dodatkowe prądy: w uzwojeniu pierwotnym pojawia się składowa kompensująca prąd obciążenia.

Zauważ, że przy symetrycznym przebiegu prostokątnym o wypełnieniu 50% nie jest potrzebny filtr uśredniający LC. W zasadzie nie jest potrzebny żaden filtr, bo wyprostowane napięcie powinno być „gładkie”, jednak w praktyce stosuje się kondensator filtrujący (CO).

Wcześniej dla ułatwienia założyliśmy, że zanik prądu w pracującym aktualnie uzwojeniu głównym powoduje natychmiastowe rozmagnesowanie rdzenia. W rzeczywistości może być i zwykle jest inaczej, bowiem jak wskazują podane publikacje, w tego rodzaju generatorach powinien być zastosowany rdzeń o jak najbardziej prostokątnej charakterystyce magnesowania, co zilustrowane jest na rysunku 6a. Jeśli rdzeń będzie miał „łagodną” charakterystykę magnesowania według rysunku 6b, generator może nie działać, bo wchodzenie w „łagodne nasycenie” nie spowoduje wystarczająco gwałtownego zaniku prądu, potrzebnego do wytworzenia „odwrotnych” napięć według rysunku 4b.

Rys.6 Charakterystyki magnesowania rdzenia

Rysunek 6a sygnalizuje jeszcze jeden istotny szczegół: otóż jeśli zastosowany zostanie rdzeń o prostokątnej charakterystyce, z bardzo dużą wartością pozostałości magnetycznej (remanencji), to po zmniejszeniu aktualnej wartości prądu, a nawet po zaniku prądu do zera, rdzeń z takiego materiału wcale nie zostanie rozmagnesowany, tylko pozostanie silnie namagnesowany. Zostanie przemagnesowany dopiero w następnym półokresie, gdy prąd zacznie płynąć w drugim uzwojeniu. To rodzi dalsze pytania, dotyczące momentów przełączania oraz utraty i odzyskiwania indukcyjności przez transformator. Nie będziemy się jednak w to wgłębiać.

Analizowany układ jest bardzo prosty, ale szczegóły i warunki jego działania są skomplikowane, co słusznie rodzi przypuszczenia, że praktyczna realizacja i optymalizacja takich przetwornic wcale nie jest zadaniem łatwym. Kilkadziesiąt lat temu sytuacja w elektronice była inna i intensywnie zajmowano się nie tylko takimi generatorami/przetwornicami. Co jednak bardzo ważne, podobne proste przetwornice samooscylujące są zaskakująco często wykorzystywane do dziś. Różne jednak są ich zasady działania. Dlatego podobnym przetwornicom musimy poświęcić jeszcze co najmniej dwa odcinki cyklu.

Tematyka materiału: przetwornice indykcyjne
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich marzec 2019
Udostępnij
UK Logo