SU1734178A1 - Преобразователь посто нного напр жени в переменное - Google Patents

Abstract

Использование: преобразование посто нного напр жени  в переменное дл  сис+8roff фиг.1 тем вторичного электропитани . Силовые транзисторы 7 и 8 имеют разный тип проводимости и включены по схеме полумоста с объединенными коллекторами. Ток базы силовых транзисторов 7 и 8  вл етс  одновременно током цепи питани  операционного усилител  2, с выхода которого подаетс  ток в цепи баз блокирующих транзисторов 9 и 10. Исключение сквозных токов при переключении силовых транзисторов 7 и 8 обеспечиваетс  с помощью дополнительной обмотки 22 выходного трансформатора 19, напр жение на которой воздействует на входную цепь операционного усилител  2, задержива  отпирание соответствующего силового транзистора 7 или 8. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. Ё VJ CJ vl 00

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к технике преобразовани  параметров электрической энергии, и предназначено дл  использовани  в маломощных экономичных источниках вторичного электропитани  электронной аппаратуры при напр жении первичной сети 18-36 В.

Известно устройство преобразовани  посто нного напр жени  в переменное с использованием полумостового инвертора, приводимого в действие от генератора пр моугольного напр жени , имеющего два взаимоинверсных выхода, св занных с ба- за-эмиттерными переходами транзисторов полумостового инвертора, которые включаютс  поочередно.

Недостатком устройства  вл етс  то, что в нем затруднено управление транзисторами инвертора. Эти транзисторы выбирают одинаковыми и поэтому эмиттер одного из них соедин ют с коллектором другого и с одним из выводов дл  подключени  первичной обмотки выходного трансформатора (нагрузки). Относительно этой точки следует формировать управл ющее воздействие на базу транзистора, эмиттер которого подключен к упом нутой точке. Это неудобно потому, что данный эмиттер не имеет посто нной св зи с одной из шин первичного питани .

Известен также преобразователь посто нного напр жени  в переменное с независимым возбуждением, в котором силовые транзисторы инвертора имеют противоположный тип проводимости. Параллельно переходам база - эмиттер силовых транзисторов подключены переходы коллектор - эмиттер блокирующих транзисторов такого же типа проводимости. Эмиттеры каждой пары силового и блокирующего транзисторов соединены с противоположными шинами первичного питани . Источником сигналов управлени  силовыми транзисторами  вл етс  задающий генератор пр моугольных колебаний, выход которого через резисторы и согласующие транзисторы подключены к базам силовых транзисторов (эмиттеры согласующих транзисторов) и к входу источника опорного напр жени  (соединенные между собой коллекторы согласующих транзисторов ).

Широтно-импульсна  модул ци  исключает по вление сквозных токов транзисторов преобразовател , так как формируемый полупериод выходного напр жени  меньше длины полупериода задающего генератора. Однако при предельно низких напр жени х первичного питани  (но наход щихс  в рабочем диапазоне) выходное напр жение преобразовател  (инвертора ) принимает форму Меандр и по вл ютс  сквозные токи. Они же будут иметь место посто нно, если регулирование

выходного напр жени  не производитс , т.е., если нужно только преобразовывать первичное напр жение в переменное или в посто нное иной величины относительно исходного. Тогда КПД оказываетс  сниженным , что ограничивает применение устройства .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  преобразователь посто нного напр жени  в переменное, содержащий

задающий генератор, узел управлени  и полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах разного типа проводимости , соединенных между собой коллекторами , образующими первый выходной

вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из

которых база силового транзистора одного плеча св зана с базой блокирующего транзистора другого плеча, вход узла управлени  соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла

управлени  соединены с управл ющими входами ключей.

Попеременно от узла управлени  открываютс  ключи и, следовательно, транзисторы полумостового инвертора, к базам

которых они подключены. Противоположные силовые транзисторы при этом закрываютс , так как базовый ток блокирующего транзистора одного плеча одновременно  вл етс  базовым током силового транзистора другого плеча. При наличии открывающих сигналов на входах обоих ключей работают одновременно оба блокирующие транзисторы и не работают - оба силовые. Этим устран ютс  сквозные токи силовых

транзисторов, однако временна  уставка запаздывани  выключени  каждого из ключей может быть только посто нной, не зави- с щей от фактического времени выключени  силовых транзисторов. Это  вл етс  причиной ухудшени  КПД потому, что: во-первых, в прототипе не гарантируетс  включение очередного силового транзистора сразу же после естественного выключени  ранее работавшего транзистора инвертора, а, во-вторых, дл  обслуживани  база-эмиттерных цепей силовых транзисторов и схемы, осуществл ющей задержку , примен ют отдельные цепи питани , кажда  из которых потребл ет свою

часть электроэнергии от первичного источника .

Цель изобретени  - повышение КПД.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в преобразователь посто нного напр жени  в переменное, содержащий задающий генератор, узел управлени  и полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах разного типа проводимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертора , и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча св зана с базой блокирующего транзистора другого плеча, вход узла управлени  соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла управлени  соединены с управл ющими входами ключей, в качестве указанных ключей и узла управлени  использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод операционного усилител  подключен через первый и второй резисторы к базам блокирующих транзисторов соответствующих плеч инвертора, соединенных также через третий и четвертый резисторы с выходом задающего генератора , в цепь соединени  выхода задающего генератора с инвертирующим входом операционного усилител ,  вл ющимс  входом узла управлени , последовательно включен п тый резистор, а через шестой резистор и дополнительную обмотку , расположенную на выходном трансформаторе , неинвертирующий вход операционного усилител  подключен к второму выходному выводу инвертора, с которым соединен инвертирующий вход операционного усилител . Кроме того, выходной трансформатор включен между выходными выводами инвертора и выходными выводами преобразовател . С целью повышени  мощности введен по меньшей мере один усилитель мощности, вход каждого из которых соединен с выходом инвертора, а на выходе каждого из усилителей мощности включен выходной трансформатор, причем дополнительна  обмотка каждого из них через шестой резистор подключена к неинвертирующему входу операционного усилител . Второй выходной вывод инвертора образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов.

На фиг.1 представлена схема преобразовател  посто нного напр жени  в переменное ; на фиг.2 - тот же преобразователь с повышенной выходной мощностью .

Преобразователь содержит (фиг. 1) зада- ющий генератор 1, операционный усилитель 2, состо щий из узла 3 управлени  и ключей 4, 5, полумостовой инвертор 6 с си0 левыми транзисторами 7,8 типа проводимости p-n-р и n-p-п соответственно, блокирующими 9 (типа p-n-р) и 10 (типа п-р- п) транзисторами и силовыми конденсаторами 11 и 12, первый 13, второй 14, третий

5 15, четвертый 16, п тый 17 и шестой 18 резисторы , а также выходной трансформатор 19, имеющий первичную 20, вторичную 21 и дополнительную 22 обмотки. Эмиттеры соединенных между собой транзисторов 7 и 9

0 подключены к входному выводу питани  положительной пол рности, а эмиттеры транзисторов 8, 10 - к входному выводу отрицательной пол рности. База транзистора 7, с которой соединен коллектор транзи5 стора 9, подключена к выводу питани  положительной пол рности узла 3 управлени  и через ключ 4 и резистор 14 - к базе транзистора 10. База транзистора 8, с которой соединен и коллектор транзистора 10,

0 подключена к выводу питани  отрицательной пол рности узла 3 управлени  и через ключ 5 и резистор 13 - к базе транзистора 9. При этом обща  точка ключей 4 и 5  вл етс  выходом операционного усилител  2.

5 Цепи питани  задающего генератора в данном конкретном примере выполнени  подключены непосредственно к входным выводам преобразовател . К базам соотве- ственно первого 9 и второго 10 блокирую0 щих транзисторов через резисторы 15 и 16 подключен также выход задающего генератора 1. К этому выходу через резистор 17 подключен вход узла 3 управлени  (неинвертирующий вход операционного усилите5 л  2). В операционном усилителе 2 противофазные выходы узла 3 управлени  соединены с управл ющими входами ключей 4, 5. Коллекторы транзисторов 7 и 8 соединены между собой и образуют первый

0 выход полумостового инвертора 6. Его вторым выходом может быть (в примере конкретного выполнени ) обща  точка силовых транзисторов 11, 12, противоположные выводы которых подключены к эмиттерам

5 транзисторов 7 и 8.

К обоим выходным выводам полумостового инвертора 6 подключена первична  обмотка 20 выходного трансформатора 19, вторична  обмотка 21 которого  вл етс  выходом преобразовател . Дополнительна 

обмотка 22 трансформатора одним выводом через резистор 18 подключена к неинвертирующему входу операционного усилител  2, а другим - к второму выходному выводу полумостового инвертора и инвертирующему входу операционного усилител  2.

В преобразователе с повышенной мощностью (фиг.2) имеетс  также один или несколько усилителей мощности. На фиг.2 их два - 23.1, 23.2, имеющих собственные выходные трансформаторы 24.1,24.2 с первичными обмотками 25.1, 25.2 и вторичными обмотками 26.1, 26.2, образующими выход преобразовател . У трансформатора 19 две (по числу усилителей мощности) одинаковые вторичные обмотки 21.1, 21.2, подключенные к входам усилителей мощности. Дополнительные обмотки 22.1,22.2 размещены на трансформаторах 24.1, 24.2. Они соединены с неинвертирующим входом операционного усилител  2 через резисторы 18.1, 18.2.

Устройство работает следующим образом .

Узел 3 управлени  получает ток питани  через база-эмиттерные переходы силовых транзисторов 7 и 8, обуславлива  их базовый ток в промежутки времени, когда они не блокируютс  транзисторами 9, 10. Каждый из ключей 4, 5 в своем провод щем состо нии создает базовый ток относ щегос  к нему силового транзистора и одновременно ток базы блокирующего транзистора противоположного плеча, запреща  таким образом работу силового транзистора этого плеча. Ток базы транзистора 7, проход  через ключ 4 и резистор 14,  вл етс  базовым током транзистора 10 и, наоборот, ток базы транзистора 8 через ключ 5 и резистор 13  вл етс  током базы транзистора 9.

Так как операционный усилитель 2 состоит из узла 3 управлени  и ключей 4, 5, то получаетс , что весь операционный усилитель питаетс  через плечи полумостового инвертора, а именно через база-эмиттер- ный переход силового транзистора одного плеча и переход коллектор - эмиттер блокирующего транзистора другого плеча, причем управление блокирующими транзисторами производитс  с выхода задающего генератора 1 (через резисторы 15, 16) и с выхода операционного усилител  2 (обща  точка ключей 4 и 5).

Фаза сигналов на выходах задающего генератора 1 и операционного усилител  2 в первый момент возникновени  колебаний совпадает, потому что резисторы 17, 18 совместно с обмоткой 22 трансформатора 19 могут рассматриватьс  на этом этапе работы тоже как делитель.

С по влением напр жени  на обмотке 22, индуцированного с первичной обмотки 20, оно начинает определ ть фазу выходного напр жени  операционного усилител  2 (относительно пр моугольного напр жени , снимаемого с задающего генератора 1). Положительный полупериод, возникнув на выходе задающего генератора, будет повторен на выходе операционного усили0 тел  2. Задающий генератор 1 и операционный усилитель 2 откроют транзистор 10, запретив работу транзистора 8 и не преп тству  работе транзистора 7. На коллекторах транзисторов 7, 8 будет та же пол рность

5 пр моугольного напр жени , что и на выходе задающего генератора. После окончани  полупериода колебаний задающего генератора и смены его на отрицательный транзистор 7 может оставатьс  открытым

0 вследствие рассасывани  неосновных носителей через транзистор 9, открывающийс  в результате смены полупериода задающего генератора. На весь период рассасывани  транзистора 7 ток обмотки 20 будет оста5 ватьс  неизменным по величине и направлению , а индуцированное в обмотку 22 напр жение, повтор ющее фазу напр жени  на обмотке 20, будет поддерживать через резистор 18 операционный усилитель 2

0 в состо нии, соответствующем положительному полупериоду задающего генератора, несмотр  на состо вшеес  его окончание. Переключение управлени  операционным усилителем 2 от задающего генератора на

5 обмотку 22 происходит благодар  выбору величины резистора 18, существенно меньшей чем резистора 17 при близости (или равенстве) напр жений обмоток 20 и 22. Отрицательный полупериод задающего

0 генератора прекратит работу транзистора 7 - по крайней мере после его естественного выключени , а продлившийс  положительный полупериод пр моугольного напр жени  на выходе операционного усилител  2

5 будет поддерживать в открытом состо нии транзистор 10 и, следовательно, в закрытом состо нии транзистор 8. Начавшийс  полупериод задающего генератора отрицательной пол рности не может ничего изменить.

0 Транзистор 10 открываетс  от положительного сигнала, поступающего либо от задающего генератора 1, либо от операционного усилител  2, либо от обоих одновременно (по принципу ИЛИ). По этому же алгоритму

5 осуществл етс  управление транзистором 9. Дл  его открывани  достаточно, чтобы на выходе задающего генератора 1 или операционного усилител  2 был отрицательный полупериод, а наличие положительного полупериода на выходе хот  бы одного из них

несущественно дл  транзистора 9 (не вызывает открывание транзистора 10).

После выключени  транзистора 7 напр жение на обмотке 22 исчезнет и опера- ционный усилитель 2 перейдет на управление от выхода задающего генератора , напр жение которого к этому времени уже имеет отрицательную пол рность. Вследствие этого на выходе операционного усилител  2 установитс  полупериод отри- цательного напр жени , а напр жение обмотки 22, ставшее теперь отрицательным, будет тоже, как и задающий генератор, обуславливать продолжение отрицательного полупериода на выходе операционного усилител  2. Это приведет к запиранию транзистора 10 и безусловному отпиранию транзистора 8, в базу которого втекает ток, потребл емый схемой операционного усилител  2. Начинаетс  формирование нового полупериода выходного напр жени , входе которого все процессы будут протекать аналогично .

Транзистор 8, наход сь в насыщении в рабочем дл  него полупериоде, не сразу за- кроетс  после очередной смены полупериода задающего генератора, когда он снова станет положительным, хот  переход база - эмиттер этого транзистора окажетс  зашун- тированным транзистором 10. Поэтому не- обходимо задержать открывание транзистора 7, чтобы избежать сквозного тока от положительной шины питани  на отрицательную через транзисторы 7 и 8. Така  задержка получаетс  за счет того, что управление операционным усилителем 2 от обмотки 22 доминирует над управлением от выхода задающего генератора и до тех пор, пока напр жение этой обмотки имеет еще отрицательную пол рность, будет открыт транзистор 9 и, следовательно, закрыт транзистор 7. Ток потреблени  операционного усилител  2 будет идти не через переход база - эмиттер транзистора 7, а через переход коллектор-эммитер транзистора 9. В таком состо нии схема будет находитьс  до момента естественного закрывани  транзистора 8, после чего устройство будет готово формировать очередной полупериод выходного напр жени , исключив по вление сквозного тока через силовые транзисторы 7 и 8 при их новом переключении, вследствие задержки переключени  пол рности напр жени  на выходе операционного усилител  2 до окончани  текущего полупериода выходного напр жени .

Дл  обеспечени  ключевого режима работы транзисторов 9, 10 имеет значение остаточное напр жение попеременно действующих ключей 4, 5. Если оно больше, чем напр жение перехода база - эмиттер

транзисторов 9,10, способное их открывать, то эти переходы следует шунтировать резисторами (показаны пунктиром). Тогда образуютс  этими резисторами и резисторами 13, 14 делители, свод щие остаточное напр жение на базах выключаемых транзисторов 9, 10 до приемлемой величины.

Если мощность, получаема  непосредственно от инвертора, недостаточна дл  конкретного потреблени , прибегают к следующей ступени усилени  по мощности. Тогда сквозные токи могут возникать в следующем (оконечном) усилителе мощности, потому что врем  выключени  мощных транзисторов (в пределах одного класса по быстродействию ) больше у транзисторов, работающих на больших токах.

В случае, если требуема  мощность недостижима при имеющемс  уровне развити  элементной базы, усилителей мощности устанавливают несколько (два и более), обычно однотипных (фиг.2). Врем  выключени  транзисторов в таких усилител х оказываетс  сравнимым и становитс  невозможным отдать предпочтение какому- либо из них, чтобы разместить обмотку, св - занную с неинвертирующим входом операционного усилител  2, на сердечнике его выходного трансформатора. Становитс  целесообразным снабдить такой обмоткой (22.1, 22.2 на фиг,2) каждый из трансформаторов 19 всех усилителей мощности (на фиг.2 их два: 23.1 и 23.2). К операционному усилителю они подключаютс  через резисторы 18.1 и 18.2, Поэтому по пол рности доминирующим напр жением управлени  операционным усилителем 2 определ етс  то из всех возможных, поступающих на неинвертирующий вход, которое устанавливаетс  в начале формируемого всеми усилител ми мощности пр моугольного напр жени , а по длительности - то из них, которое будет существовать дольше, чем другие (первым исчезает напр жение задающего генератора). Задержка переключени  операционного усилител  2, таким образом осуществл етс  до выключени  наиболее инерционного транзистора (независимо от того, в каком усилителе мощности он находитс ), работавшего в оканчивающемс  полупериоде.

Только после переключени  операционного усилител  2 инвертор 6 выдает с обмоток 21.1, 21.2 своего трансформатора 19 управл ющее напр жение с измененной пол рностью на все подключенные к инвертору усилители мощности (23.1, 23.2). Так. достигаетс  предупреждение возникновени  сквозных токов во всех усилител х мощности , подключенных к инвертору. Если

количество усилителей мощности при различных услови х работы преобразовател  мен етс , то операционный усилитель 2 реагирует только на те из них, которые фактически действуют (по крайней мере, в течение текущего полупериода).

Предложенное устройство выгодно отличаетс  от прототипа тем, что в нем устра- нены сквозные токи транзисторов полумостового инвертора или иного двухтактного инвертора при последующем усилении по мощности, использу  дл  выполнени  этой операции ток, требуемый дл  обслуживани  база-эмиттерных переходов силовых транзисторов полумостового инвертора. Нар ду с достигаемым при этом повышении КПД обеспечиваетс  и упрощение схемы устройства.

Возможность использовани  устройства на случай нескольких усилителей мощности позвол ет использовать способ без каких-либо органичений на мощность потребител .

Claims (4)

1. Преобразователь посто нного напр жени  в переменное, содержащий задающий генератор, узел управлени  и ми/.умостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах разного типа пооводимости, соединенных между собой , )ллекторами, образующими первый вы- чодной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом роводимости шунтируемого силового ,)«чзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча св зана с базой блокирующего транзистора другого плеча, вход узла управлени  соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла управлени  соединены с управл ющими входами ключей, отличающийс  тем, что, с целью повышени  КПД, в качестве

указанных ключей и узла управлени  использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора , выходной вывод операционного усилител  подключен через первый и второй резисторы к базам блокирующих транзисторов соответствующих плеч инвертора, соединенных также через третий и четвертый

резисторы с выходом задающего генератора , в цепь соединени  выхода задающего генератора с неинвертирующим входом операционного усилител ,  вл ющимс  входом узла управлени , последовательно

включен п тый резистор, а через шестой резистор и дополнительную обмотку, расположенную на выходном трансформаторе, неинвертирующий вход операционного усилител  подключен к второму выходному выводу инвертора, с которым соединен инвертирующий вход операционного усилител .

2.Преобразователь по п. 1,отличаю щ и и с   тем, что выходной трансформатор

включен между выходными выводами инвертора и выходными выводами преобразовател .

3.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью повышени 

мощности, введен по меньшей мере один усилитель мощности, вход каждого из которых соединен с выходом инвертора, а на выходе каждого из усилителей мощности включен выходной трансформатор, причем

дополнительна  обмотка каждого из них через шестой резистор подключена к неинвер- тирующему входу операционного усилител .

4.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что второй выходной вывод

инвертора образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов.

Фиг. 2