SU1720152A1

SU1720152A1 - Transistor switch

Info

Publication number: SU1720152A1
Application number: SU904842642A
Authority: SU
Inventors: Михаил Всеволодович Семенов; Юрий Евгеньевич Семенов
Original assignee: Новосибирский электротехнический институт
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1992-03-15

Abstract

Изобретение относитс к электротехнике , в частности к электронным устройствам управлени элементами автоматических систем и вторичных источников электропитани . В транзисторный ключ на транзисторах 1, 5, 8 и 13 введены трансформатор тока с первичной 16 и вторичной 17 обмотками, выпр мительный 19 и рекуперирующий 18 диоды, что позволило уменьшить падение напр жени на входном транзисторе 5 и его ток коллектора, а также уменьшить потребл емый от источника питани ток за счет более полного использовани его напр жени , что позволило повысить КПД транзисторного ключа. 1 ил. w Ё VJ hO О СП юThe invention relates to electrical engineering, in particular, to electronic devices controlling elements of automatic systems and secondary power sources. A current transformer with primary 16 and secondary 17 windings, rectifying 19 and rectifying 18 diodes were introduced into the transistor switch on transistors 1, 5, 8 and 13, which allowed reducing the voltage drop on the input transistor 5 and its collector current, as well as reducing power consumption current from the power source due to a more complete use of its voltage, which has increased the efficiency of the transistor switch. 1 il. w V VJ hO O SP y

Description

Изобретение относитс к электротехнике , а именно к коммутационной технике и электронным устройствам управлени элементами автоматических систем, и может быть использовано при построении преобразователей электрической энергии, вход щих в состав средств энергопитани , электроприводов и вторичных источников электропитани .The invention relates to electrical engineering, in particular, to switching technology and electronic devices controlling elements of automatic systems, and can be used in the construction of electrical energy converters comprising power supply means, electric drives and secondary power sources.

Известны схемы транзисторных ключей с нелинейной обратной св зью и знакопеременной обратной св зью.Transistor switches are known with non-linear feedback and alternating feedback.

Недостатками известных ключей вл ютс существенна мощность потерь, выдел юща с на коллекторе входного транзистора, который регулирует ток базы силового транзистора. Это определено тем, что входной транзистор находитс в активном режиме и падение напр жени на его переходе коллектор-эмиттер равно разности между напр жением питани ключа и напр жением на базе силового транзистора . Если же в цепи коллектора входного транзистора включен токоограничительный резистор, то мощность потерь, равна произведению тока базы силового транзистора (он же ток коллектора входного транзистора ) на напр жение/равное разнице напр жени питани и напр жени на базе силового транзистора, все равно остаетс той же, только перераспредел етс между этим резистором и входным транзистором, Указанные недостатки снижают КПД этих транзисторных ключей.The disadvantages of the prior art switches are the substantial power losses, which occur at the collector of the input transistor, which regulates the base current of the power transistor. This is determined by the fact that the input transistor is in active mode and the voltage drop at its collector-emitter junction is equal to the difference between the key supply voltage and the power transistor base. If the current-limiting resistor is included in the collector circuit of the input transistor, the power loss is equal to the product of the base current of the power transistor (also known as the collector current of the input transistor) and the voltage / equal to the difference in supply voltage and voltage on the base of the power transistor, all the same however, it only redistributes between this resistor and the input transistor. These disadvantages reduce the efficiency of these transistor switches.

Наиболее близким по технической сущ; ности .к предлагаемому вл етс транзисторный ключ, содержащий выходной силовой транзистор, коллектор которого соединен с первым выходным выводом, эмиттер соединен с вторым выходным выводом, а к базе подключены первый шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом, и эмиттер входного транзистора, коллектор которого подключен к точке соединени первого и второго резисторов, а к базе подключены второй шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом , анод диода обратной св зи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, и коллектор токостабилизую- щего транзистора, эмиттер которого соединен с базовой управл ющего транзистора и через последовательно включенные первый и второй резисторы, подключен к первой клемме источника питани , втора клемма которого соединена с вторым выходным выводом , к первой клемме источника питани также подключен эмиттер управл ющего транзистора, коллектор которого соединенThe closest technical noun; As proposed, there is a transistor switch containing an output power transistor, the collector of which is connected to the first output terminal, the emitter is connected to the second output terminal, and the first shunt resistor is connected to the base, the second terminal is connected to the second output terminal, and the emitter of the input transistor, the collector of which is connected to the point of connection of the first and second resistors, and the second shunt resistor connected to the base, the second output terminal connected to the second output terminal, the anode of the feedback diode, cat which is connected to the collector of the power transistor, and the collector of the current-stabilizing transistor, the emitter of which is connected to the base control transistor and connected in series through the first and second resistors, is connected to the first terminal of the power supply, the second terminal of which is connected to the second output terminal, to the first the power supply terminal is also connected to the emitter of the control transistor, the collector of which is connected

с базой токостабилизирующего транзистора и через третий резистор - с входом управлени и, кроме того, имеющий второй токостабилизирующий транзистор, резистивный делитель и токоограиичительный диод.with the base of the current stabilizing transistor and through the third resistor with the control input and, in addition, having the second current stabilizing transistor, resistive divider and current-limiting diode.

Недостатком этого ключа также вл етс значительна мощность, рассеиваема на коллекторе входного транзистора, чтоThe disadvantage of this switch is also a significant power dissipated at the collector of the input transistor, which

0 снижает КПД ключа. Это объ сн етс следующим . Если прин ть падение на всех р-п- переходах всех транзисторов приблизительно одинаковым и равным Do, то минимально необходима дл обеспече5 ни работоспособности схемы величина напр жени источника питани должна быть не менее 4U0 (падени на база-эмиттерных переходах силового, входного, токостабилизирующего и управл ющего транзисторов). Падение же напр жени на базе силового0 reduces the efficiency of the key. This is explained as follows. If the drop on all p-p-junctions of all transistors is approximately the same and equal to Do, then the minimum required to ensure the efficiency of the circuit is that the voltage of the power supply should be at least 4U0 (the drops on the base-emitter transitions of the power, input, current-stabilizing and control transistors). The fall of the voltage at the base of power

0 транзистора всего .Do, таким образом на входном транзисторе и резисторе, включенном в его коллекторную цепь, падает 3U0, и это напр жение, умноженное на ток базы силового выходного транзистора, который0 of the total transistor .Do, thus, on the input transistor and the resistor included in its collector circuit, drops 3U0, and this voltage multiplied by the base current of the power output transistor, which

5 протекает через эти транзистор и резистор, дает мощность потери, котора снижает КПД ключа. А так как ключи обычно питаютс от нестабилизированного напр жени , минимально возможна величина которого5 flows through these transistors and resistors, gives the power loss, which reduces the efficiency of the key. And since keys are usually powered by unstabilized voltage, the minimum value of which

0 выбираетс из наихудших условий, при номинальных услови х величина напр жени питани будет больше 4Uo и потери на входном транзисторе его возрастут.0 is selected from the worst conditions, under nominal conditions, the value of the supply voltage will be more than 4Uo and the losses at the input transistor will increase.

Целью изобретени вл етс увеличе5 ние КПД ключа за счет уменьшени мощности потерь, рассеиваемой на входном транзисторе и уменьшени мощности, потребл емой от источника питани .The aim of the invention is to increase the efficiency of the key by reducing the power loss dissipated at the input transistor and reducing the power consumed from the power source.

Поставленна цель достигаетс тем, чтоThe goal is achieved by the fact that

0 в транзисторный ключ, содержащий выходной силовой транзистор, коллектор которого соединен с первым выходным выводом, эмиттер соединен с вторым выходным выводом , а к базе подключены первый шунтиру5 ющий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом, и эмиттер входного транзистора, к базе которого подключены второй шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с0 into a transistor switch containing an output power transistor, the collector of which is connected to the first output terminal, the emitter is connected to the second output terminal, and the first shunt resistor is connected to the base, the second output terminal is connected to the second output terminal, and the emitter of the input transistor to which base connected to the second shunt resistor, the second output connected to

0 вторым выходным выводом, анод диода обратной св зи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, и коллектор токостабилизирующего транзистора , эмиттер которого соединен с базой0 the second output terminal, the anode of the feedback diode, the cathode of which is connected to the collector of the power transistor, and the collector of the current-stabilizing transistor, the emitter of which is connected to the base

5 управл ющего транзистора и через последовательно включенные первый и второй резисторы подключен к первой клемме источника питани , втора клемма которого соединена с вторым выходным выводом, к5 of the control transistor and through a series-connected first and second resistors are connected to the first terminal of the power source, the second terminal of which is connected to the second output terminal, to

первой клемме источника питани также подключен эмиттер управл ющего транзистора , коллектор которого соединен с Сазой токостабилизирующего транзистора и через третий резистор - с входом управлени , введены трансформатор тока, рекупериру- ющий и выпр мительный диоды, причем первична обмотка трансформатора тока включена между коллектором входного транзистора и точкой соединени первого и второго резисторов, а вторична обмотка первым выводом подключена к базе выходного силового транзистора, а вторым - к аноду рекуперирующего диода, катод которого соединен с первой клеммой источника питани , и катоду выпр мительного диода, анод которого соединен со вторым выходным выводом.The first terminal of the power supply also connects the emitter of the control transistor, the collector of which is connected to the Current-stabilizing transistor S and, via a third resistor - to the control input, a current transformer, a recuperating and a rectifying diodes are inserted, the primary winding of the current transformer is connected between the input transistor collector and the connection point of the first and second resistors, and the secondary winding of the first output is connected to the base of the output power transistor, and the second to the anode of the recovery diode, the cathode of which is connected to the first terminal of the power source and the cathode of the rectifying diode, the anode of which is connected to the second output terminal.

На чертеже приведена электрическа схема предлагаемого транзисторного ключа .The drawing shows the electrical circuit of the proposed transistor switch.

Транзисторный ключ содержит выходной силовой транзистор 1, коллектор которого соединен с первым выходным выводом 2, а эмиттер соединен с вторым выходным выводом 3. К базе транзистора 1 подключе- ны первый шунтирующий резистор 4, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом 3, и эмиттер входного транзистора 5, к базе которого подключены второй шунтирующий резистор 6, знод дио- да 7 обратной св зи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора 1, и коллектор токостабилизирующего транзистора 8. Эмиттер токостабилизирующего транзистора 8 через последовательно сое- диненные первый резистор 9 и второй резистор 10 подключен к первой клемме 11 источника питани . Втора клемма 12 источника питани соединена с вторым выходным выводом 3. К первой клемме 11 источника питани также подключен эмиттер управл ющего транзистора 13, база которого соединена с эмиттером транзистора 8, а коллектор подключен к базе транзистора 8, и, через третий резистор 14 - к входу 15 управлени . Первична обмотка 16 трансформатора тока включена между кол- лектром входного транзистора 5 и точкой соединени резисторов 9 и 10. Вторична обмотка 17 трансформатора тока первым выводом соединена с базой выходного силового транзистора 1, а вторым подключена к аноду рекуперирующего диода 18, катод которого соединен с первой клеммой 11, источника питани , и катоду выпр митель- ного диода 19, анод которого соединен с вторым выходным выводом 3.The transistor switch contains the output power transistor 1, the collector of which is connected to the first output terminal 2, and the emitter is connected to the second output terminal 3. The first shunt resistor 4 is connected to the base of the transistor 1, the second output terminal is connected to the second output terminal 3, and the input emitter transistor 5, to the base of which the second shunt resistor 6 is connected, feedback diode 7, the cathode of which is connected to the collector of the power transistor 1, and the collector of the current stabilizing transistor 8. The current-stabilizing emitter the transistor 8 is connected in series with the first resistor 9 and the second resistor 10 connected to the first terminal 11 of the power source. The second power supply terminal 12 is connected to the second output terminal 3. The emitter of the control transistor 13 is also connected to the first power supply terminal 11, the base of which is connected to the emitter of transistor 8, and the collector is connected to the base of transistor 8, and, through the third resistor 14, to input 15 control. The primary winding 16 of the current transformer is connected between the collector of the input transistor 5 and the connection point of the resistors 9 and 10. The secondary winding 17 of the current transformer is connected to the base of the output power transistor 1 by the second, and the second is connected to the anode of the recovery diode 18, the cathode of which is connected to the first terminal 11, power supply, and rectifier diode cathode 19, the anode of which is connected to the second output terminal 3.

Транзисторный ключ работает-следующим образом.Transistor switch works as follows.

При наличии сигнала логической 1 на входе 15 (Uynp Упит) транзисторы 13, 8 закрыты, транзистор 5 также закрыт, следовательно закрыт и транзистор 1. При подаче на вход 15 сигнала логического О (Uynp 0) по цепи базы транзистора 8 через резистор 14 протекает ток. Под действием тока коллектора транзистора 8 на резисторе 6 по витс падение напр жени , которое откроет транзистор 5. Под действием то.ка коллектора транзистора 5 (он же ток первичной обмотки 16 трансформатора тока) и тока вторичной обмотки 17, который замыкаетс через диод 19 в коэффициент трансформации больше тока коллектора транзистора 5, на резисторе 4 по витс падение напр жени , которое откроет выходной силовой транзистор.1. Падение напр жени на резисторах 9 (от эмиттерного тока транзистора 8) и 10 (от коллекторного тока транзистора 10} открывает транзистор 13, замыкаетс отрицательна обратна св зь и транзистор 8 выходит на режим стабилизации тока, так как при увеличении тока эмиттера транзистора 8 увеличиваетс падение напр жени на резисторах 9 и 10, что вызывает дополнительное открывание транзистора 13, который уменьшит ток базы транзистора 8. При входе силового транзистора 1 в насыщение откроетс диод 7 обратной св зи и ток коллектора транзистора 8 перераспределитс между базой транзистора 5 и диодом 7, в результате чего ток базы транзистора 5 уменьшитс , соответственно уменьшитс ток его коллектора и ток обмотки 17 трансформатора тока, а, значит, и ток базы силового транзистора 1, в результате чего последний будет поддерживатьс на границе насыщени , так как если транзистор начнет выходить из насыщени (например, при увеличении тока нагрузки) увеличитс падение напр жени на его коллекторе, диод 7 закроетс и ток базы транзистора 1 увеличитс . Схема придет к установившему-. с режиму. При этом на входном транзисторе 5 падение напр жени будет равно напр жению питани за вычетом падени напр жени на базе силового транзистора и падени напр жени на первичной обмотке трансформаторного тока, которое равно 2U0 (падени напр жени на базе силового транзистора 1 и на диоде 19), умноженное на коэффициент трансформации. Очевидно, что даже при коэффициенте трансформации трансформатора тока, равном единице, падение напр жени на входном транзисторе 5 уменьшаетс на 2U0, a его ток уменьшаетс в два раза, что значительно уменьшает потери мощности нз коллекторе этого транзистора. Кроме того,If there is a logic 1 signal at input 15 (Uynp Upit), the transistors 13, 8 are closed, transistor 5 is also closed, hence the transistor 1 is also closed. When a logical O signal (Uynp 0) is applied to input 15, the base transistor 8 passes through current. Under the action of the collector current of the transistor 8 on the resistor 6, the voltage drops across the Wits, which will open the transistor 5. Under the action of the current collector of the transistor 5 (also known as the current of the primary winding 16 of the current transformer) and the current of the secondary winding 17, which closes through diode 19 the transformation ratio is greater than the collector current of the transistor 5, and the voltage drop across the resistor 4 is across the Vits, which will open the output power transistor. The voltage drop across the resistors 9 (from the emitter current of transistor 8) and 10 (from the collector current of transistor 10) opens the transistor 13, negative feedback closes and the transistor 8 goes into current stabilization mode, as the current increases with a transistor 8 the voltage across the resistors 9 and 10, which causes an additional opening of the transistor 13, which will reduce the base current of the transistor 8. When the power transistor 1 enters saturation, the feedback diode 7 will open and the collector current of the transistor 8 will redistribute connects between the base of transistor 5 and diode 7, causing the base current of transistor 5 to decrease, respectively, its collector current and the winding current 17 of the current transformer, and, hence, the base current of power transistor 1, resulting in the latter being maintained at the saturation limit Because if the transistor starts to go out of saturation (for example, as the load current increases) the voltage across its collector increases, diode 7 closes and the base current of transistor 1 increases. The scheme will come to set-. with mode. In this case, at the input transistor 5, the voltage drop will be equal to the supply voltage minus the voltage drop at the base of the power transistor and the voltage drop at the primary side of the transformer current, which is 2U0 (the voltage drop at the base of the power transistor 1 and diode 19) multiplied by the transformation ratio. Obviously, even with a current transformer ratio of one, the voltage drop across the input transistor 5 is reduced by 2U0, and its current is halved, which significantly reduces the power loss in the collector of this transistor. Besides,

уменьшаютс ток и мощность, потребл емые от источника питани , так как в этом случае более используетс его напр жение.the current and power consumed from the power supply are reduced, since in this case its voltage is more used.

При подаче на вход 15 управлени сигнала логической 1 закрываютс транзисто- ры 8, 5 и 13, выключаетс транзистор 1. Энерги , накопленна в трансформаторе тока через рекуперирующий диод 18, возвращаетс в источник питани . Схема возвращаетс в исходное состо ние.When a logical signal 1 is applied to the control input 15, transistors 8, 5 and 13 are closed, transistor 1 is turned off. Energy stored in the current transformer through a recuperating diode 18 is returned to the power source. The circuit returns to its original state.

Таким образом, за счет введени транс- Форматора тока и выпр мительного и рекуперирующего диодов, уменьшаетс падение напр жени на входном транзисторе и ток через него, что снижает потери мощности на его коллекторе, уменьшаетс , за счет более полного использовани напр жени , ток потребл емый от источника пи- т.ани , а энерги , накопленна в трансформаторе тока, возвращаетс в ис- точнйк питани на этапе выключенного состо ни ключа, что, все вместе и ведет к повышению КПД, так как уменьшаютс и потери мощности в ключе и мощность, потребл ема им от источника питани .Thus, due to the introduction of the current transformer and the rectifying and recovery diodes, the voltage drop across the input transistor and the current through it are reduced, which reduces the power losses at its collector, decreases, due to more complete use of the voltage, the current consumed from the power source, and the energy stored in the current transformer returns to the power source during the off phase of the key, which all together leads to an increase in efficiency, since both the power losses in the key and the power consumed from the power source.

Claims

Claims of the invention A transistor switch containing an output power transistor, whose collector is connected to the first output terminal, the emitter is connected to the second output terminal, and the first shunt resistor is connected to the base, the second terminal of which is connected to the second output terminal, and the emitter of the input transistor, to the base of which is connected to the second shunt resistor, the second terminal of which is connected to the second output terminal, the anode of the feedback diode, whose cathode is connected to the collector of the power transistor, and the collector is current the stabilizing transistor, the emitter of which is connected to the base of the control transistor and through the first and second resistors connected in series to the first terminal of the power source, the second terminal of which is connected to the second output terminal with the base of the current-stabilizing transistor and through the third resistor with the control input, which is due to the fact that, in order to increase efficiency by reducing the power loss A current transformer, recuperating and rectifying diodes are introduced at the input transistor and the power consumed from the power source, the primary winding of the current transformer is connected between the collector of the input transistor and the junction point of the first and second resistors, and the secondary winding is connected to the output terminal of the first power winding transistor, and the second to the anode of the recovery diode, the cathode of which is connected to the first terminal of the power source, and to the cathode of the rectifying diode, the anode of which is connected to the second output One conclusion.