RU2065249C1

RU2065249C1 - Magnet-transistor switch

Info

Publication number: RU2065249C1
Application number: RU93034019A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Трунов; Николай Маркелович Туганов
Original assignee: Виктор Александрович Трунов; Николай Маркелович Туганов
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: secondary power supply. SUBSTANCE: device has current transformer 2, transformer windings 6-8, power transistor 1, capacitors 4, 5, threshold gate 3. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, например в двухтактных резонансных преобразователях. The invention relates to electrical engineering and can be used in secondary power sources, for example in push-pull resonant converters.

Известно применение магнитно-транзисторных ключей /МТК/ в преобразователях напряжения с резонансным контуром, при котором на базу транзистора МТК, для его включения подают короткий импульс тока. При этом благодаря положительной обратной связи через трансформатор тока МТК последний самоблокируется в открытом состоянии. Выключение транзистора происходит при нулевом значении тока через МТК. /Источники вторичного электропитания /В.А. Головацкий и др. Под ред.Ю.И. Конева 2-е изд. перераб. доп. -М: Радио и связь, 1990, с. 134, рис.4.19/. Недостатком такого МТК является то, что его нельзя использовать в преобразователях напряжениях, где имеются крутые фронты нарастания напряжения. Это обусловлено тем, что токовая обмотка трансформатора тока включена в цепь коллектора силового транзистора. Импульс напряжения на закрытом МТК с крутым фронтом вызывает протекание импульса тока через токовую обмотку трансформатора тока и паразитные емкости силового транзистора, заряжая их. Протекание импульса тока по токовой обмотке вызывает соответствующий импульс тока в базовой обмотке трансформатора тока и открывание силового транзистора, а, следовательно, и включение МТК. It is known the use of magnetic transistor switches / MTK / in voltage converters with a resonant circuit, in which a short current pulse is applied to the base of the MTK transistor to turn it on. Moreover, due to the positive feedback through the MTK current transformer, the latter self-locks in the open state. The transistor turns off at zero current through the MTK. / Sources of secondary power supply / B.A. Golovatsky et al. Edited by Yu.I. Koneva 2nd ed. reslave. add. -M: Radio and communications, 1990, p. 134, Fig. 4.19 /. The disadvantage of this MTK is that it cannot be used in voltage converters, where there are steep fronts of voltage rise. This is due to the fact that the current winding of the current transformer is included in the collector circuit of the power transistor. A voltage pulse at a closed MTK with a steep edge causes a current pulse to flow through the current winding of the current transformer and the stray capacitance of the power transistor, charging them. The flow of a current pulse through the current winding causes a corresponding current pulse in the base winding of the current transformer and the opening of the power transistor, and, therefore, the inclusion of the MTK.

Описание МТК в двухтактном преобразователе с резонансным контуром дано в авт. св. СССР N 1718353, кл. Н 02 М 7/517. Здесь токовая обмотка трансформатора тока включена в диагональ полумостового преобразователя напряжения последовательно с резонансным контуром, а управляющие обмотки подключены к переходам база-эмиттер двух транзисторов, образующих два плеча этого преобразователя. Включение транзисторов происходит автоматически при переходе от инверсного напряжения на них к нормальному. Выключение их производится путем насыщения токового трансформатора, т.е. при максимальном токе через МТК, что приводит к потерям при выключении. Это снижает не только энергетические показатели и надежность, но и ведет к существенному росту электромагнитных помех. The description of MTK in a push-pull converter with a resonant circuit is given in ed. St. USSR N 1718353, class H 02 M 7/517. Here, the current winding of the current transformer is included in the diagonal of the half-bridge voltage converter in series with the resonant circuit, and the control windings are connected to the base-emitter junctions of two transistors forming two arms of this converter. The inclusion of transistors occurs automatically during the transition from the inverse voltage to them to normal. They are turned off by saturating the current transformer, i.e. at maximum current through the MTK, which leads to losses during shutdown. This reduces not only energy performance and reliability, but also leads to a significant increase in electromagnetic interference.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является МТК, примененный в "Резонансном преобразователе постоянного напряжения о защитной по току", авт.св. СССР N 1709457, кл. Н 02 Н 7/122, 3/337. В этом преобразователе МТК содержит два силовых транзистора, образующих два плеча полумостового преобразователя. Таковая обмотка трансформатора тока включена в диагональ преобразователя последовательно с резонансным контуром, а обмотки управления подключены к переходам база-эмиттер силовых транзисторов. Кроме того, трансформатор тока имеет две запускающих и две останавливающих обмотки. На запускающие обмотки трансформатора тока приходят чередующиеся импульсы, длительность которых должна соответствовать длительности одной полуволны резонансного тока. Регулировка выходного напряжения осуществляется длительностью паузы между управляющими импульсами, в течение которой останавливающие обмотки трансформатора тока закорачиваются через выпрямитель ключевыми транзистором, что и удерживает оба силовых транзистора в закрытом состоянии. Of the known technical solutions, the closest in technical essence to the claimed invention is MTK, used in the "Resonant DC voltage protective current transformer", auth. USSR N 1709457, class H 02 H 7/122, 3/337. In this converter, the MTK contains two power transistors forming two arms of the half-bridge converter. Such a current transformer winding is included in the diagonal of the converter in series with a resonant circuit, and the control windings are connected to the base-emitter junctions of the power transistors. In addition, the current transformer has two start and two stop windings. Alternating pulses arrive at the starting windings of the current transformer, the duration of which must correspond to the duration of one half-wave of the resonant current. The output voltage is regulated by the duration of the pause between the control pulses, during which the stop windings of the current transformer are shorted through the rectifier by a key transistor, which keeps both power transistors closed.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что в конце каждой полуволны резонансного тока необходимо включать ключевой транзистор для закорачивания останавливающих обмоток. При этом от точности определения момента перехода резонансного тока через нулевое значение будут зависеть потери при выключении, а также величина электромагнитных помех. Вследствие того, что период колебаний резонансного контура зависит как от параметров элементов контура, так и от режима работы преобразователя, то ясно, что трудно получить бестоковую коммутацию силовых транзисторов в широком диапазоне режимов работы преобразователя. The disadvantages of this device include the fact that at the end of each half-wave of the resonant current it is necessary to include a key transistor for shorting the stop windings. At the same time, the loss upon switching off, as well as the magnitude of electromagnetic interference, will depend on the accuracy of determining the moment the resonant current passes through a zero value. Due to the fact that the oscillation period of the resonant circuit depends both on the parameters of the circuit elements and on the operation mode of the converter, it is clear that it is difficult to obtain current-free switching of power transistors in a wide range of converter operation modes.

Cущность изобретения состоит в том, что в МТК, состоящем из силового транзистора и трансформатора тока, имеющего токовую обмотку, а также управляющую и пусковые обмотки, дополнительно введены пороговый элемент и два конденсатора. При этом начало токовой обмотки соединено с концом управляющей обмотки и эмиттером силового транзистора. Начало управляющей обмотки соединено с первым выводом порогового элемента и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с концом второго вывода порогового элемента, базой силового транзистора и первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с концом токовой обмотки, который одновременно является первым силовым выводом ключа. Вторым выводом ключа является коллектор силового транзистора. Входом ключа служат выводы пусковой обмотки. The essence of the invention lies in the fact that in the MTK, consisting of a power transistor and a current transformer having a current winding, as well as a control and starting windings, a threshold element and two capacitors are additionally introduced. The beginning of the current winding is connected to the end of the control winding and the emitter of the power transistor. The start of the control winding is connected to the first terminal of the threshold element and the first terminal of the first capacitor, the second terminal of which is connected to the end of the second terminal of the threshold element, the base of the power transistor and the first terminal of the second capacitor, the second terminal of which is connected to the end of the current winding, which is also the first power terminal the key. The second key output is the collector of the power transistor. The key input is the terminals of the starting winding.

Кроме того, пороговый элемент выполнен в виде двухполюсника, первым выводом которого является анод светодиода, соединенный с коллектором n-p-n транзистора, база которого соединена с катодом светодиода, а вторым выводом служат эмиттер транзистора. In addition, the threshold element is made in the form of a two-terminal device, the first output of which is the anode of the LED connected to the collector of the n-p-n transistor, the base of which is connected to the cathode of the LED, and the emitter of the transistor serves as the second output.

В процессе работы первый конденсатор заряжается током базы силового транзистора до напряжения открывания порогового элемента. Включение токовой обмотки трансформатора тока МТК в цепь эмиттера силового транзистора приводит к тому, что в момент перехода тока ключа через нулевое значение, напряжение на обмотках трансформатора тока меняет знак и запирает силовой транзистор. Одновременно происходит перераспределение зарядов между первым и вторым конденсаторами, в результате чего переход база-эмиттер силового транзистора оказывается смещенным в обратном направлении напряжением равным напряжению открывания порогового элемента. Второй конденсатор нейтрализует паразитную емкость перехода коллектор-база силового транзистора. В результате МТК становится нечувствительным к скорости нарастания напряжения на закрытом ключе, т. к. база силового транзистора оказалась подключенной к емкостному делителю напряжения, образованному соединением его паразитной емкости коллектор-база и второго конденсатора. Напряжение на емкостном делителе не зависит от частоты, а зависит лишь от амплитуды. Таким образом, зная амплитуду перепадов напряжения на закрытом МТК и величину паразитной емкости перехода коллектор-база cилового транзистора, можно рассчитать величину емкости второго конденсатора, при которой на переходе база-эмиттер будет сохраняться обратное смещение. In the process, the first capacitor is charged with the base current of the power transistor to the opening voltage of the threshold element. The inclusion of the current winding of the MTK current transformer in the emitter circuit of the power transistor leads to the fact that at the moment the key current passes through a zero value, the voltage on the current transformer windings changes sign and locks the power transistor. At the same time, the charge is redistributed between the first and second capacitors, as a result of which the base-emitter junction of the power transistor turns out to be biased in the opposite direction by a voltage equal to the opening voltage of the threshold element. The second capacitor neutralizes the parasitic capacitance of the collector-base junction of the power transistor. As a result, the MTK becomes insensitive to the rate of increase of voltage on the closed key, since the base of the power transistor turned out to be connected to a capacitive voltage divider formed by the connection of its stray collector-base capacitance and a second capacitor. The voltage on the capacitive divider does not depend on the frequency, but depends only on the amplitude. Thus, knowing the amplitude of the voltage drops across the closed MTK and the value of the stray capacitance of the collector-base power transistor junction, we can calculate the capacitance of the second capacitor at which the reverse bias will be maintained at the base-emitter junction.

Использование в качестве порогового элемента светодиода в сочетании с усилительным транзистором позволяет получить необходимое значение порогового напряжения при низком значении дифференциального сопротивления в широком диапазоне токов, что снижает потери в цепи управления МТК 1. The use of an LED as a threshold element in combination with an amplifying transistor allows you to obtain the required threshold voltage at a low value of differential resistance in a wide range of currents, which reduces the loss in the control circuit of MTK 1.

На фиг. 1 представлен заявляемый МТК 1 в составе импульсного источника света. In FIG. 1 presents the inventive MTK 1 as part of a pulsed light source.

Магнитно-транзисторный ключ содержит силовой транзистор 1, трансформатор тока 2, пороговый элемент 3, два конденсатора 4, 5, причем начало токовой обмотки 6 соединено с концом управляющей обмотки 7 и эмиттером силового транзистора 1, а начало управляющей обмотки 7 соединено с первым выводом порогового элемента 3 и первым выводом первого конденсатора 4, второй вывод которого соединен с вторым выводом порогового элемента 3, базой силового транзистора 1 и первым выводом второго конденсатора 5, второй вывод которого соединен с концом токовой обмотки 6, который одновременно является первым силовым выводом ключа, вторым выводом которого является коллектор силового транзистора 1, а входом ключа служат выводы пусковой обмотки 8. The magnetic transistor switch contains a power transistor 1, a current transformer 2, a threshold element 3, two capacitors 4, 5, and the beginning of the current winding 6 is connected to the end of the control winding 7 and the emitter of the power transistor 1, and the beginning of the control winding 7 is connected to the first output of the threshold element 3 and the first terminal of the first capacitor 4, the second terminal of which is connected to the second terminal of the threshold element 3, the base of the power transistor 1 and the first terminal of the second capacitor 5, the second terminal of which is connected to the end of the current winding 6, which is simultaneously the first power terminal of the key, which the second terminal is a collector of power transistor 1 and input key findings are the starting coil 8.

Пороговый элемент 3 выполнен в виде двухполюсника, первым выводом которого является анод светодиода 9, соединенный с коллектором n-р-n транзистора 10, база которого соединена с катодом светодиода 9, а вторым выводом служит эмиттер транзистора 10. The threshold element 3 is made in the form of a two-terminal network, the first output of which is the anode of the LED 9 connected to the collector npn of the transistor 10, the base of which is connected to the cathode of the LED 9, and the emitter of the transistor 10 serves as the second output.

Рассмотрим работу МТК в качестве коммутатора цепи питания лампы накаливания импульсного источника света. Consider the work of MTK as a switch for the power circuit of an incandescent lamp of a pulsed light source.

На фиг. 1 последовательно в цепи источника питания включены лампа накаливания 11 и МТК1. Работой МТК1 управляет ключ 12, контакт 1 которого соединен через диод 13 с RC-цепью, состоящей из резистора 14 и конденсатора 15. In FIG. 1, incandescent lamp 11 and MTK1 are connected in series in the power supply circuit. The operation of MTK1 is controlled by a key 12, the contact 1 of which is connected through a diode 13 to an RC circuit consisting of a resistor 14 and a capacitor 15.

На фиг.2 представлена эпюра тока, протекающего через лампу накаливания. Figure 2 presents a plot of the current flowing through an incandescent lamp.

В исходном состоянии МТК1 закрыт. Ток через лампу накаливания не протекает. Конденсатор 15 заряжен через резистор 14 до напряжения источника питания. Если в момент времени t1 замкнуть контакты 1-2 ключа 12, то конденсатор 15 разрядится через диод 13 и обмотку 8 трансформатора 2. Это вызовет протекание тока по обмотке 7 через конденсатор 4 и переход база-эмиттер силового транзистора 1. Протекание базового тока открывает транзистор 1. Коллекторный ток транзистора 1 протекает от плюса источника питания по нити накала лампы накаливания 11, через переход коллектора эмиттер силового транзистора 1, по обмотке 6 трансформатора 2 на минус источника питания. Протекание по токовой обмотке 6 трансформатора тока 2 коллекторного тока транзистора 1 вызывает пропорциональное ему протекание тока по обмотке 7, что приводит к увеличению тока базы транзистора 1. Процесс развивается лавинообразно и приводит к насыщению транзистора 1. С этого момента ток протекающий от плюса источника питания через лампу накаливания 11, переход коллектор-эмиттер силового транзистора 1, обмотку 6 к минусу источника питания ограничивается лишь cопротивлением нити лампы накаливания 11. По мере разогрева нити лампы накаливания 11 сопротивление ее возрастает, ток через нее уменьшается. Но степень насыщения силового транзистора 1 остается неизменной благодаря трансформаторной связи между обмотками 6 и 7. Током базы силового транзистора 1. Заряжается конденсатор 4. Как только напряжение на нем достигнет величины порога открывания порогового элемента 3 пороговый элемент 3 начнет проводить ток и дальнейшее повышение напряжения на конденсаторе 4 прекратится. In the initial state, MTK1 is closed. No current flows through the incandescent lamp. The capacitor 15 is charged through the resistor 14 to the voltage of the power source. If at the moment of time t1 to close the contacts 1-2 of the key 12, the capacitor 15 is discharged through the diode 13 and the winding 8 of the transformer 2. This will cause the current to flow through the winding 7 through the capacitor 4 and the base-emitter junction of the power transistor 1. The passage of the base current opens the transistor 1. The collector current of the transistor 1 flows from the plus of the power source along the filament of the incandescent lamp 11, through the junction of the collector emitter of the power transistor 1, along the winding 6 of the transformer 2 to minus the power source. The flow through the current winding 6 of the current transformer 2 of the collector current of the transistor 1 causes a proportional flow of current through the winding 7, which leads to an increase in the base current of the transistor 1. The process develops like an avalanche and saturates the transistor 1. From this moment, the current flowing from the plus of the power source through incandescent lamp 11, collector-emitter junction of power transistor 1, winding 6 to the minus of the power source is limited only by the resistance of the filament of the incandescent lamp 11. As the filament of the incandescent lamp heats up 11, its resistance increases, the current through it decreases. But the saturation degree of the power transistor 1 remains unchanged due to the transformer connection between the windings 6 and 7. The base current of the power transistor 1. The capacitor is charged 4. As soon as the voltage on it reaches the threshold value for opening the threshold element 3, the threshold element 3 will begin to conduct current and further increase the voltage by capacitor 4 will stop.

Если в момент времени t2 замкнуть контакты 3-2 ключа 12, то напряжение на всех обмотках трансформатора 2 станет равным нулю. В этот момент положительно заряженная обкладка конденсатора 4 через обмотку 7 будет соединена с эмиттером транзистора 1, а отрицательно заряженная с базой. Это вызовет рассасывание заряда неосновных носителей в базе транзистора 1 и быстрое его запирание. Одновременно часть заряда с конденсатора 4 через обмотки 7 и 6 перетечет на конденсатор 5 и вызовет его перезаряд. При этом его обкладка соединенная с базой транзистора 1 будет заряжена отрицательно, а обкладка соединенная через обмотку 6 с эмиттером транзистора 1 положительно. Переход база-эмиттер транзистора 1 будет смещен в обратном направлении. В этом состоянии МТК1 будет находиться до тех пор пока снова не замкнутся контакты 1-2 ключа 12. При их замыкании процесс повторится. If at time t2 to close the contacts 3-2 of the switch 12, then the voltage across all windings of the transformer 2 will become equal to zero. At this moment, the positively charged lining of the capacitor 4 through the winding 7 will be connected to the emitter of the transistor 1, and the negatively charged with the base. This will cause the dissolution of the charge of minority carriers in the base of the transistor 1 and its rapid locking. At the same time, part of the charge from the capacitor 4 through the windings 7 and 6 will flow to the capacitor 5 and cause it to recharge. In this case, its lining connected to the base of transistor 1 will be negatively charged, and the lining connected through the winding 6 to the emitter of transistor 1 is positive. The base-emitter junction of transistor 1 will be biased in the opposite direction. In this state, MTK1 will remain until contacts 1-2 of key 12 are closed again. When they are closed, the process will be repeated.

Если в момент времени t2 контакты 3-2 ключа 12 не замыкать, то МТК1 будет оставаться включенным до момента времени t3, определяемым магнитопроводом трансформатора 2. При его насыщении током, протекающим по обмотке 6, ток в обмотке 7 станет уменьшаться и, следовательно, станет уменьшаться ток базы транзистора 1, что вызовет выход его из насыщения и переход в активный режим. Напряжение на коллекторе транзистора 1 увеличится, что вызовет уменьшение тока через обмотку 6 трансформатора 2. Это приведет к еще большему уменьшению тока в обмотке 7 и запиранию транзистора 1. If at time t2 the contacts 3-2 of key 12 are not closed, then MTK1 will remain on until time t3, determined by the magnetic circuit of transformer 2. When it is saturated with current flowing through winding 6, the current in winding 7 will decrease and, therefore, will the base current of the transistor 1 decreases, which will cause it to exit from saturation and go into active mode. The voltage at the collector of transistor 1 will increase, which will cause a decrease in current through the winding 6 of transformer 2. This will lead to an even greater decrease in current in the winding 7 and blocking of the transistor 1.

Развивается регенеративный процесс, приводящий к полному запиранию транзистора 1 и смене полярности напряжения на обмотках трансформатора 2. Это произойдет в момент, когда снижающийся ток в обмотке 6 трансформатора 2 станет меньше тока намагничивания. На обмотках трансформатора 2 появится после импульс напряжения с полярностью противоположной той, которая существовала ранее. По обмоткам 7 и 6 протекает ток перезаряда конденсатора 5, при этом конденсатор 4 частично разряжается. Переход база-эмиттер транзистора 1 смещается в обратном направлении. В этом выключенном состоянии МТК1 может оставаться длительное время. Для следующего включения МТК1 необходимо снова замкнуть контакты 1-2 ключа 12. A regenerative process is developing, leading to a complete shutdown of transistor 1 and a change in voltage polarity on the windings of transformer 2. This will happen at a time when the decreasing current in winding 6 of transformer 2 becomes less than the magnetization current. On the windings of the transformer 2 will appear after a voltage pulse with a polarity opposite to that which existed previously. The recharging current of the capacitor 5 flows through the windings 7 and 6, while the capacitor 4 is partially discharged. The base-emitter junction of transistor 1 is biased in the opposite direction. In this off state, MTK1 may remain for a long time. For the next inclusion of MTK1, it is necessary to close the contacts 1-2 of the key 12 again.

Данное рассмотрение работы заявленного МТК1 показывает возможность применения его для коммутации электрических цепей без применения каких либо дополнительных элементов. This review of the work of the claimed MTK1 shows the possibility of using it for switching electrical circuits without the use of any additional elements.

Это доказывает работоспособность заявленного технического решения в объеме совокупности существенных признаков, введенных в формулу изобретения. This proves the efficiency of the claimed technical solution in the amount of the set of essential features introduced into the claims.

Claims

1. Magnetic transistor switch, consisting of a power transistor and a current transformer having a current winding, as well as a control and starting winding, characterized in that a threshold element and two capacitors are additionally introduced into it, while the beginning of the current winding is connected to the end of the control winding and an emitter of a power transistor, and the beginning of the control winding is connected to the first output of the threshold element and the first output of the first capacitor, the second output of which is connected to the second output of the threshold element, the base power transistor and the first output of the second capacitor, the second output of which is connected to the end of the current winding, which is also the first power output of the key, the second output of the key, the second output of which is the collector of the power transistor, and the input of the key is the output of the start winding.

2. The key according to claim 1, characterized in that the threshold element is made in the form of a two-terminal device, the first output of which is the anode of the LED connected to the collector of the n-p-n transistor, the base of which is connected to the cathode of the LED, and the emitter of the transistor serves as the second output.