RU2007832C1

RU2007832C1 - Inverter

Info

Publication number: RU2007832C1
Authority: RU
Inventors: А.К. Сенкевич; С.Л. Михайлов; А.Ф. Алешин
Original assignee: Научно-производственное объединение "Композит"
Priority date: 1991-01-21
Filing date: 1991-01-21
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: low-voltage power supplies. SUBSTANCE: device has two flip-flops 14, 15, unsaturated transformer with primary windings 2, 3 and secondary windings 4, 5, saturable current transformer 8 having primary windings 6, 7 and secondary windings 12, 13, starting circuit 17. EFFECT: decreased power consumption due connection of transformer windings. 1 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для электропитания портативной радиоэлектронной аппаратуры от низковольтных источников энергии, например, одного-двух гальванических элементов. The invention relates to a conversion technique and can be used to power portable electronic equipment from low-voltage energy sources, for example, one or two galvanic cells.

Для электропитания маломощных нагрузок от низковольтных источников энергии практическое использование получили высокочастотные инверторы с самовозбуждением и насыщающимся силовым трансформатором, в которых ток нагрузки замыкается через базовую цепь открытого транзистора. For power supply of low-power loads from low-voltage energy sources, high-frequency inverters with self-excitation and a saturable power transformer have been used in practice, in which the load current is closed through the base circuit of an open transistor.

Основными недостатками транзисторных инверторов с насыщающимся силовым трансформатором являются: плохое использование транзисторов по току коллектора, большие потери мощности в транзисторах на их коммутацию и сравнительно низкий КПД при высоких частотах преобразователя электроэнергии. Для исключения указанных недостатков в схемы инверторов вводят дополнительные нелинейные элементы, насыщающиеся в конце каждого полупериода генерации и вызывающие тем самым переключение мощных транзисторов до наступления режима насыщения силового трансформатора. The main disadvantages of transistor inverters with a saturable power transformer are: poor use of transistors for collector current, large power losses in the transistors for their switching, and relatively low efficiency at high frequencies of the electric power converter. To eliminate these drawbacks, additional nonlinear elements are introduced into the inverter circuits, saturating at the end of each half-cycle of generation and thereby causing the switching of powerful transistors before the saturation of the power transformer occurs.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является инвертор, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор с выводом нулевой точки первичной обмотки, подключенным к плюсовому входному выводу инвертора, два транзистора, эмиттеры которых подключены к минусовому входному выводу, насыщающийся трансформатор тока, первичные обмотки которого включены в коллекторные цепи транзисторов, а вторичные обмотки, образуя внутреннюю положительную обратную связь, подключены между базами и эмиттерами транзисторов и схему запуска на тиристоре, включенном параллельно транзистору, при этом управляющий электрод тиристора через конденсатор и разрядный резистор подключен к первичным обмоткам трансформаторов. The closest in technical essence to the proposed one is an inverter containing a non-saturating power transformer with a zero point output of the primary winding connected to the positive input terminal of the inverter, two transistors whose emitters are connected to the negative input terminal, a saturable current transformer, the primary windings of which are included in the collector circuit transistors, and the secondary windings, forming an internal positive feedback, are connected between the bases and emitters of the transistors and the trigger circuit for a thyristor connected in parallel with the transistor, while the thyristor control electrode is connected to the primary windings of the transformers through a capacitor and a discharge resistor.

Известны инверторы, содержащие пусковой R-C-релаксатор на однопереходном транзисторе. Однако такие релаксаторы не работоспособны на низких напряжениях питания. Inverters are known that include an R-C start-up relaxer on a single junction transistor. However, such relaxers are not operational at low supply voltages.

Схема позволяет получить значительный выигрыш в использовании транзисторов по току коллектора и КПД по сравнению со схемой. Однако при низких питающих напряжениях КПД и функциональная надежность схемы снижаются по следующим причинам. Напряжение на первичных обмотках трансформатора тока, включенных в коллекторные цепи силовых транзисторов, уменьшает напряжение, прикладываемое к первичной обмотке силового трансформатора, тем самым уменьшая КПД. Для получения максимального КПД необходимо использовать транзисторы с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер, например, ГТ806. Типовое значение напряжения насыщения база-эмиттер этого транзистора составляет 0,4В. Это значение, а также значение частоты преобразования определяют число витков вторичной обмотки трансформатора тока. Для феррита марки 2000НМ1 типоразмера К7 х 4 х 2 и частоты 50 кГц это число равно двум. При этом, исходя из минимального значения статического коэффициента передачи тока транзистора, число витков первичной обмотки должно быть равно 0,25, что не реализуемо. Поэтому транзисторы в данной схеме работают в режиме большого перенасыщения, что также уменьшает КПД. Схема запуска срабатывает только при скачкообразной подаче питающего напряжения, а в случае низких питающих напряжений вообще не работоспособна. Недостатком также является то, что транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, это не позволяет разместить их на общем радиаторе без электрической изоляции от корпуса. The circuit allows you to get a significant gain in the use of transistors for collector current and efficiency compared to the circuit. However, at low supply voltages, the efficiency and functional reliability of the circuit are reduced for the following reasons. The voltage at the primary windings of the current transformer included in the collector circuits of the power transistors reduces the voltage applied to the primary winding of the power transformer, thereby reducing the efficiency. To obtain maximum efficiency, it is necessary to use transistors with a low saturation voltage of the collector-emitter, for example, GT806. The typical value of the base-emitter saturation voltage of this transistor is 0.4V. This value, as well as the value of the conversion frequency, determines the number of turns of the secondary winding of the current transformer. For ferrite grade 2000НМ1 size K7 x 4 x 2 and a frequency of 50 kHz, this number is two. In this case, based on the minimum value of the static current transfer coefficient of the transistor, the number of turns of the primary winding should be 0.25, which is not feasible. Therefore, the transistors in this circuit operate in a large supersaturation mode, which also reduces the efficiency. The start-up circuit only works when there is a spasmodic supply of the supply voltage, and in the case of low supply voltages it is generally not operational. The disadvantage is that the transistors are connected according to the scheme with a common emitter, this does not allow them to be placed on a common radiator without electrical isolation from the case.

Цель изобретения - повышение КПД и функциональной надежности инвертора, уменьшение его габаритов и массы. The purpose of the invention is to increase the efficiency and functional reliability of the inverter, reducing its size and weight.

Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем два транзистора, ненасыщающийся силовой трансформатор с выводом нулевой точки первичной обмотки, подключенным к плюсовому входному выводу инвертора, насыщающийся трансформатор тока, вторичные обмотки которого образуя внутреннюю положительную обратную связь, подключены между базами и эмиттерами транзисторов и схему запуска, коллекторы транзисторов подключены к минусовому входному выводу, а эмиттеры - к первичной обмотке силового трансформатора, причем его вторичные обмотки соединены последовательно с первичной и через первичные обмотки трансформатора тока, выпрямительные диоды и нагрузку подключены к минусовому выводу, кроме того трансформатор тока дополнительно снабжен обмоткой запуска, подключенный к выходу схемы запуска, выполненной в виде R-C-релаксатора на двухтранзисторном аналоге однопереходного транзистора. This goal is achieved by the fact that in an inverter containing two transistors, an unsaturated power transformer with a zero point output of the primary winding connected to the positive input terminal of the inverter, a saturable current transformer, the secondary windings of which form an internal positive feedback, are connected between the bases and emitters of the transistors and start-up circuit, transistor collectors are connected to the negative input terminal, and emitters are connected to the primary winding of the power transformer, and its secondary winding The ki are connected in series with the primary and through the primary windings of the current transformer, the rectifier diodes and the load are connected to the negative terminal, in addition, the current transformer is additionally equipped with a start winding connected to the output of the start-up circuit made in the form of an R-C relaxer on a two-transistor analog of a single junction transistor.

Проведенный анализ существенных признаков предложенного технического решения по источникам научно-технической и патентной информации (см. прилагаемую справку) показал, что данное предложение соответствует критерию "существенные отличия". The analysis of the essential features of the proposed technical solution according to the sources of scientific, technical and patent information (see the attached certificate) showed that this proposal meets the criterion of "significant differences".

На чертеже представлена принципиальная схема предложенного инвертора. The drawing shows a schematic diagram of the proposed inverter.

Инвертор содержит ненасыщающийся силовой трансформатор 1 с выводом нулевой точки первичных полуобмоток 2, 3, подключенным к плюсовому входному выводу инвертора. Вторичные обмотки 4, 5 силового трансформатора 1 соединены последовательно с первичными полуобмотками 2, 3 и через первичные обмотки 6, 7 насыщающегося трансформатора тока 8, выпрямительные диоды 9, 10 и нагрузку 11 подключены к минусовому выводу. Вторичные обмотки 12, 13 трансформатора тока 8 подключены между базами и эмиттерами транзисторов 14, 15 и образуют внутреннюю положительную обратную связь. Коллекторы транзисторов 14, 15 подключены к минусовому входному выводу, а эмиттеры - к первичным полуобмоткам 2, 3 силового трансформатора 1. Трансформатор тока 8 снабжен обмоткой запуска 16, подключенной R-C-релаксатору 17 на двухтранзисторном аналоге однопереходного транзистора. The inverter contains an unsaturated power transformer 1 with a zero point output of the primary half windings 2, 3 connected to the positive input terminal of the inverter. The secondary windings 4, 5 of the power transformer 1 are connected in series with the primary half windings 2, 3 and through the primary windings 6, 7 of the saturable current transformer 8, the rectifier diodes 9, 10 and the load 11 are connected to the negative terminal. The secondary windings 12, 13 of the current transformer 8 are connected between the bases and emitters of the transistors 14, 15 and form an internal positive feedback. The collectors of the transistors 14, 15 are connected to the negative input terminal, and the emitters are connected to the primary half windings 2, 3 of the power transformer 1. The current transformer 8 is equipped with a start winding 16 connected to the R-C-relaxer 17 on a two-transistor analog of a single-junction transistor.

Инвертор работает следующим образом. The inverter operates as follows.

При подаче напряжения питания, последнее через последовательно соединенные обмотки 2, 4 и 3, 5 силового трансформатора 1, первичные обмотки 6 и 7 трансформатора тока 8, диоды 9 и 10 поступает в нагрузку 11, где происходит начальный подзаряд конденсаторов фильтров (на схеме не указаны), что облегчает последующий запуск инвертора. Поскольку, указанные выше одноименные обмотки трансформаторов имеют попарно одинаковое число витков и включены по постоянному току встречно и параллельно, намагничивание сердечников не происходит. Затем с релаксатора 17 начинают поступать на обмотку 16 трансформатора тока 8 пусковые импульсы, которые, трансформируясь в обмотки 12, 13, поступают на базоэмиттерные переходы транзисторов 14, 15 в противофазе. Один из транзисторов, допустим 14, приоткрывается, при этом ток в обмотке 6 падает, а в обмотке 7 возрастает, разница этих токов поступает в базу транзистора 14, он еще больше открывается и, при надлежащем выборе соотношения числа витков обмоток 6, 7 и 12, 13, входит в насыщение и находится в этом состоянии, пока не произойдет насыщение сердечника трансформатора тока. Ток базы открытого транзистора, приведенный к первичной обмотке, равен разнице между током нагрузки и током намагничивания трансформатора тока. В момент насыщения последнего ток намагничивания резко растет, а ток базы падает. Транзистор 14 выходит из насыщения, токи намагничивания обоих трансформаторов уменьшаются, и за счет накопленной в трансформаторах энергии, а также в результате действия положительной обратной связи происходит переключение транзисторов. Транзистор 15 открывается и находится в состоянии насыщения, пока не произойдет перемагничивание трансформатора тока по полному циклу. Далее работа схемы повторяется. When the supply voltage is applied, the latter through the series-connected windings 2, 4 and 3, 5 of the power transformer 1, the primary windings 6 and 7 of the current transformer 8, diodes 9 and 10 enters the load 11, where the initial charge of the filter capacitors occurs (not shown in the diagram ), which facilitates the subsequent start of the inverter. Since the above-mentioned transformer windings of the same name have the same number of turns in pairs and are turned on in opposite direction and in parallel, the core magnetization does not occur. Then, from the relaxer 17, starting pulses begin to flow to the winding 16 of the current transformer 8, which, when transformed into windings 12, 13, go to the base-emitter junctions of transistors 14, 15 in antiphase. One of the transistors, say 14, opens up, while the current in the winding 6 drops, and in the winding 7 increases, the difference of these currents enters the base of the transistor 14, it opens even more and, with the proper choice of the ratio of the number of turns of the windings 6, 7 and 12 , 13, enters saturation and remains in this state until the core of the current transformer saturates. The base current of the open transistor, reduced to the primary winding, is equal to the difference between the load current and the magnetizing current of the current transformer. At the time of saturation of the latter, the magnetization current increases sharply, and the base current decreases. The transistor 14 goes out of saturation, the magnetizing currents of both transformers are reduced, and due to the energy stored in the transformers, as well as the result of positive feedback, the transistors switch. The transistor 15 opens and is in a state of saturation until the magnetization reversal of the current transformer occurs in a full cycle. Further, the operation of the circuit is repeated.

Как видно из принципиальной схемы, выходное напряжение инвертора после выпрямления диодами 9, 10 суммируется на нагрузке с напряжением источника питания, что уменьшает величину мощности, необходимой для преобразования, тем самым значительно улучшает КПД и массогабаритные характеристики. При этом силовой трансформатор представляет собой автотрансформатор, что позволяет дополнительно уменьшить его габариты и массу. Коллекторы транзисторов подключены к общей для источника питания и нагрузки минусовой шине. Поэтому, для дальнейшего уменьшения габаритов и массы, в качестве радиаторов может быть использован корпус прибора. При этом также уменьшается уровень радиопомех, излучаемых прибором. Использование для запуска инвертора R-C-релаксатора на двухтранзисторном аналоге однопереходного транзистора и дополнительной обмотки на трансформаторе тока решило проблему запуска на низких напряжениях питания. Включение первичных обмоток трансформатора тока в цепь нагрузки позволило повысить КПД за счет, во-первых, более полного использования напряжения источника питания, что особенно важно при его малой величине, и, во-вторых, исключения большого перенасыщения транзисторов, поскольку ток нагрузки обычно на порядок меньше входного тока инвертора, то числа витков вторичной и первичной обмоток трансформатора тока примерно равны. As can be seen from the circuit diagram, the output voltage of the inverter after rectification by diodes 9, 10 is added to the load with the voltage of the power source, which reduces the amount of power needed for conversion, thereby significantly improving efficiency and weight and size characteristics. At the same time, the power transformer is an autotransformer, which allows to further reduce its dimensions and weight. The transistor collectors are connected to a common rail for the power supply and load. Therefore, to further reduce the size and weight, the case of the device can be used as radiators. This also reduces the level of radio interference emitted by the device. The use of an R-C relaxor for starting the inverter on a two-transistor analog of a single-junction transistor and an additional winding on a current transformer solved the problem of starting at low supply voltages. The inclusion of the primary windings of the current transformer in the load circuit made it possible to increase the efficiency due to, firstly, a more complete use of the voltage of the power source, which is especially important for its small value, and, secondly, the exclusion of large supersaturation of transistors, since the load current is usually an order of magnitude less than the input current of the inverter, the number of turns of the secondary and primary windings of the current transformer are approximately equal.

Указанные преимущества заявляемого инвертора особенно проявляют себя в приборах с большим объемом логических микросхем с напряжением питания +5В. Они были подтверждены при испытаниях опытного образца инвертора в составе источника вторичного электропитания измерителя сварочного тока, при питании его от одной аккумуляторной банки. Внедрение промышленных образцов намечено на 1991-1992 гг. (56) Ромаш Э. М. , Драбович Ю. И. , Юрченко Н. Н. , Шевченко П. Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М. , Радио и связь, 1988, с. 101-102, рис. 4.8. The indicated advantages of the claimed inverter are especially evident in devices with a large volume of logic circuits with a supply voltage of + 5V. They were confirmed by testing a prototype inverter as part of the secondary power source of the welding current meter, when it was powered from one battery can. The introduction of industrial designs is scheduled for 1991-1992. (56) Romash E.M., Drabovich Yu.I., Yurchenko N.N., Shevchenko P.N. High-frequency transistor converters. M., Radio and Communications, 1988, p. 101-102, fig. 4.8.

Там же, с. 119, рис. 4.22б. In the same place, with. 119, fig. 4.22b.

Claims

INVERTER containing two transistors, a non-saturating power transformer with a primary point zero point output connected to the positive input terminal of the inverter, a saturable current transformer with primary windings and secondary windings that are internal positive feedback and connected between the bases and emitters of transistors, and a start-up circuit characterized in that the secondary windings of the power transformer and the starting winding of the current transformer are introduced, the collectors of the transistors are connected to the negative one output, and emitters, to the free terminals of the primary winding of the power transformer, and its secondary windings are connected in series with the primary windings and primary windings of the current transformer, to the free terminals of which rectifier diodes are connected, the combined anodes of which are connected to the negative terminal through the load circuit, the winding the start of the current transformer is connected between the output of the start-up circuit, made in the form of an RC relaxer on a two-transistor analog of a single-junction transistor, and a mine owl conclusion.