《变频器世界》小孙学变频 | 由分立元件构成的振荡电路

 

分立元件振荡电路要点

 

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U_D，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U_D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：

I_B1↑→I_C1↑→E₂↑→I_B1↑↑

→I_C1↑↑→E₂↑↑→I_B1↑↑↑

上述分析中：

       I_B1—VT₁的基极电流，A；

I_C1—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U_D。

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I_C1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U_O。光耦合器PC₁的发光二极管得到电流I_D，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I_T的大小。显然，I_T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U_O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I_D将增大（I_D↑），光敏三极管的电流I_T也增大（I_T↑），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C_GS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U_D就通过R₁～R₄向结电容C_GS充电，如图7－26中之虚线①所示。当C_GS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：

U_G↑→I_D↑→E₂↑→U_G↑↑→I_D↑↑→E₂↑↑→U_G↑↑↑

上述分析中：

       U_G—VT的栅极电压，V；

I_D—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U_D。

在I_D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U_O。光耦合器PC₁的发光二极管得到电流I_D，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C_GS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I_D和光敏三极管电流I_T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。