上一次告别时,张老师交给小孙一张由分立元件构成的电路图,要小孙预习。小孙没有找到相关的参考书,只能根据开关电源的原理分析其基本工作过程,并画了一个简图,如图7-23所示。他说:
“这里,晶体管VT是用来作为开关的。当VT截止时,相当于开关断开,绕组W1没有电压;当VT从截止状态转换成饱和导通的状态时,相当于开关闭合,绕组W1上得到直流电压UD,脉冲上升,如图7-23(a)所示;当VT又从饱和状态转换成截止状态时,相当于开关又断开,绕组W1上的电压降为0V,脉冲下降,如图7-23(b)所示。
至于这VT的转换过程,我还看不大明白。”
张老师微笑着点点头说:“掌握这个基本过程很重要,这就抓住了要领。要掌握振荡电路的工作过程,有三个要点:首先是晶体管是怎样从截止状态转向饱和导通的,其次是又怎样从饱和导通状态转向截止,最后是占空比是怎样决定的。下面,来具体地分析一下。
1.晶体管VT1的饱和
当变频器接通电源后,其直流电压UD就通过R1~R4向电容器C1充电,如图7-24中之虚线①所示。当C1上有了足够大的电压时,就开始向VT1提供基极电流,如虚线②所示,VT1开始导通后,变压器的一次绕组W1就有了电流,二次绕组W2就产生了感应电动势E2,极性是上‘-’、下‘+’。E2通过R5和VD2进一步向VT1提供基极电流,如图中之虚线③所示,并发生强烈的正反馈过程:
IB1↑→IC1↑→E2↑→IB1↑↑
→IC1↑↑→E2↑↑→IB1↑↑↑
上述分析中:
IB1—VT1的基极电流,A;
IC1—VT1的集电极电流,A;
E2—W2的感应电动势,V。
VT1因此而迅速饱和,在此过程中,W1上得到的电压从0V上升为UD。
2.晶体管VT1的截止
VT1的截止是由VT2来控制的。如果VT2饱和导通,C1将通过VT2放电,VT1因失去基极电流而截止。
这件事情在VT1的饱和过程中已经开始做准备了。在IC1上升的过程中,二次绕组W3也产生感应电动势E3,经整流和滤波后得到5V输出电压UO。光耦合器PC1的发光二极管得到电流ID,使光敏三极管处于导通状态。二次绕组W2产生的E2就通过光耦合器向电容器C2充电,如虚线④所示,为VT2的导通并饱和做准备。
当C2上的电压足够大时,就向VT2的基极提供基极电流,如图中之虚线⑤所示,于是VT2导通并很快饱和,电容器C1通过VT2放电,如图7-25中的虚线⑥所示,从而使VT1截止,一次绕组W1上的电压迅速下降为0V。
在 W1里的电流下降的过程中,W2的感应电动势E2的极性变成为上‘+’下‘-’,它将很快地吸收掉C2上的电荷,如图中的虚线⑦所示,结果是使VT2迅速截止,为下一个脉冲的上升做准备。
3.占空比的决定
在上述过程中,脉冲的宽度取决于C2充电的快慢,而C2的充电速度又取决于光耦合器中,光敏三极管电流IT的大小。显然,IT大,C2的充电过程快,VT2提前饱和导通,VT1提前截止,脉冲的宽度变窄,占空比减小。
4.稳压过程
当输出电压UO发生波动时,是怎样稳压的呢?你说说看。”
小孙笑了,因为张老师已经把要点都交待清楚了。所以,他信心十足地说:
“假设输出电压偏高了(>5V),光耦合器里,发光二极管的电流ID将增大(ID↑),光敏三极管的电流IT也增大(IT↑),电容器C2的充电速度加快,晶体管VT2提前导通并饱和,VT1提前截止,一次绕组W1上的脉冲宽度变窄,占空比D减小,W3的感应电动势E3减小,最终使偏高的输出电压降下来。我说的对不对?”
“很好。现在,如果用电力MOSFET来作为开关器件,看看有什么区别” 张老师说着,又拿出了图7-26,并示意小孙自己来进行分析。
以电力MOSFET为开关器件的振荡电路
小孙拿着图纸思索了好一阵,露出了一种颇有疑问的神色,终于忍不住问:“老师,这张图上是不是少画了一个电容器?变频器的直流电源在通过R2~R4之后,应该先向电容器充电呀,类似图7-26中的C1那样。”
“的确应该有一个电容器的。不过,在电力MOSFET的G、S之间,还隐藏着一个结电容CGS呢。”张老师提示说。
小孙于是仿照着张老师的思路,分析说:“当变频器接通电源后,其直流电压UD就通过R1~R4向结电容CGS充电,如图7-26中之虚线①所示。当CGS上有了足够的电压时, VT1开始导通,变压器的一次绕组W1就有了电流,二次绕组W2就产生了感应电动势E2,极性是上‘+’、下‘-’。E2通过R5和VD2进一步向VT1提供栅极电压,如图中之虚线②所示,并发生强烈的正反馈过程:
UG↑→ID↑→E2↑→UG↑↑→ID↑↑→E2↑↑→UG↑↑↑
上述分析中:
UG—VT的栅极电压,V;
ID—VT的漏极电流,A。
VT1因此而迅速饱和,在此过程中,W1上得到的电压从0V上升为UD。
在ID上升的过程中,二次绕组W3也产生感应电动势E3,经整流和滤波后得到5V输出电压UO。光耦合器PC1的发光二极管得到电流ID,使光敏三极管处于导通状态。二次绕组W2产生的E2就通过光耦合器向电容器C3充电,如虚线③所示,为VT2的导通并饱和做准备。
当C3上的电压足够大时,就向VT2的基极提供基极电流,于是VT2导通并很快饱和,结电容CGS通过VT2放电,如图7-26中的曲线④所示,使VT1截止,一次绕组W1上的电压迅速下降为0V。
如果二次电压偏高,光耦合器PC1的发光二极管电流ID和光敏三极管电流IT都增大,电容器C3的充电速度加快,VT1提前截止,脉冲宽度变窄,脉冲的占空比减小,使偏大的二次电压降下来。”
张老师笑着说:“很好。下一次,我们将讨论集成了的振荡心片,你回去预习一下。”
小 孙 的 笔 记
1.分立元件开关电源电路里,开关器件从截止到饱和,是通过正反馈过程而完成的,从而得到脉冲的上升沿。
2.分立元件开关电源电路里,开关器件从饱和到截止,是通过第二个晶体管的饱和导通,使控制极的电容器迅速放电而完成的,从而得到脉冲的下降沿。
3.脉冲的占空比取决于第二个晶体管饱和导通的快慢,最终取决于脉冲变压器二次电压的高低,并因此而得到稳压的效果。
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