Транзисторный инвертор

РЕ ЕНИ поеобразова Вт, небользки и при сторов по возем рассасываГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(56) Заявка Японии М 49-21849, кл. Н 02 М7/52, 1974,2. Авторское свидетельство СССРМ 1206758, кл. 6 05 Г 1/56, 1986.(57) Использование; в технике преобразования параметров электрической энергии, в,частности из постоянного напряжения в переменное. Сущность изобретения: инвертор состоит из ключевого преобразователя,имеющего первый и второй транзисторы,эмиттеры которых подключены к первомувходному выводу задающего генератора сдвумя инверсными выходами, двух логических элементов, предварительного усилителя, входами подключенного к выходамлогического элемента, а выходами - к базамтранзисторов, и из трансформатора с первичной обмоткой, средней точкой подключенной к второму входному выводу, акрайними выводами - к коллекторам транзисторов. Дополнительные третий и четвертый транзисторы переходамиколлектор-эмиттер шунтируют база-эмиттерные переходы первых двух, Этими транИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания преобразующих устройств автоматики и стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры, преимущественно при напряжении первичного зисторами и логическими элементами управляют введенные в инвертор пятый и шестой транзисторы. Трансформатор снабжен второй обмоткой со средней точкой, имеющей меньшее число витков, чем первая, и к этой обмотке подключены коллекторы седьмого и восьмого транзисторов, на которых выполнен предварительный усилитель мощности. Седьмой и восьмой транзисторы имеют по базам и эмиттерам включение, характерное для составных транзисторов относительно первых двух транзисторов ключевого преобразователя, По базам пятый и шестой транзисторы управляются установившимися уровнями напряжения в течение данного полупериода от коллекторов транзисторов через подключенные к ним резисторы и устанавливающими эти уровни всплесками напряжений через ИС- цепи от коллекторов седьмого и восьмого транзисторов, базы которых через резисторы подключены к выходам логических элементов. Одновременное управление парами транзисторов позволяет блокировать база-эмиттерные переходы транзисторов в нерабочие полупериоды и задерживать включение каждого из них в последующем полупериоде на время запаздывания выключения транзистора, работавшего в предшествующем полупериоде, 2 3. и. ф-лы, 2 ил. источника 3-15 В, частотах ния 5 - 15 кГц, мощностью д шом диапазоненагр применении силовых транз можности с малым времен ния.Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия,На фиг. 1 и 2 представлены схемы транзисторного инвертора с логическими элементами соответственно для случаев применения в нем транзисторов и-р-и и р-ирТранзисторный инвертор с логическими элементами состоит из ключевого преобразователя 1 с первым 2, вторым 3, третьим 4 и четвертым 5 транзисторами, из генератора 6 прямоугольных колебаний с взаимно инверсными выходами 7 и 8, первого 9 и второго 10 логических элементов ИЛИ-НЕ или И-Н Е в зависимости от типа проводимости применяемых в инверторе транзисторов; и-р-п или, соответственно, р-п-р, из пятого 11 и шестого 12 транзистороа, первой КС-цепи 13, выполненной на последовательно соединенных первом резисторе 4 ипервом конденсаторе 15, второй ВС-цепи 16 на втором резисторе 17 и втором конденсаторе 18, которые также последовательно соединены между собой, из третьего 19, четвертого 20, пятого 21, шестого 22 рази сторов, из предварительного усилителя мощности 23, содержащего седьмой 24., восьмой 25 транзисторы и седьмой 26 и восьмой 27 резисторы, а также из транзистора 28 с двумя обмотками 29 и 30 со сред ними точками, причем обмотка 30 имеет меньшее число витков, и с обмоткой 31, являющейся в данном случае выполнения выходом инвертора, Выходы 7, 8 генератора 6 прямоугольного напряжения, который мо жет быть активным или пассивным(триггер), подключены к первым входам логических элементов 9, 10, выходы которых соединены с первым и вторым входами предварительного усилителя мощности 23, в котором они 40 через резйсторы 26 и 27 подключены соответственно к базам транзисторов 24 и 25, эмиттеры которых подключены через соответственно первый и второй выходы и первый и второй входы ключевого 45 преобразователя к базам его транзисторов 2 и 3, а коллекторы транзисторов 24, 25 через образуемые ими третий и четвертый выходы предварительного усилителя 23 подключены соответственно к началу и кон цу обмотки 30 трансформатора 28, Змиттеры транзисторов 2-5 ключевого преобразователя 1 подключены к первой шине питания. Коллекторы транзисторов 2 и 3 через образуемые ими первый и второй 55 выходы ключевого преобразователя подключены соответственно к началу и концу обмотки 29 трансформатора 28, средняя точка которого вместе со средней точкой обмотки 29 подключены ко второй шине питания. База транзистора 11 через РС-цепь 13 и резистор 19 соединена соответственно с третьим выходом предварительного усилителя мощности и первым выходом ключевого преобразователя 1. Аналогично база транзистора 12 через КС-цепь 16 и резистор 20 соединена с четвертым выходом предварительного усилителя мощности 23 и вторым выходом ключевого преобразователя 1. Эмиттеры транзисторов 11 и 12 через третий и четвертый входы ключевого преобразователя соединены с базами транзисторов 4 и 5 соответственно, а их коллекторы подключены ко вторым входам логических элементов соответственно 10 и 9 и через резисторы 21 и 22 - ко второй шине питания.Работает инвертор (см. фиг. 1) следующим образом, В исходном состоянии транзисторы 11, 4, 12, 6 открыты за счет тока от положительной шины питания по половине обмотки 29, резистору 19 и последовательно соединенным переходам база-эмиттер транзисторов 11, 4 и аналогично этому - по второй половине обмотки 29, резистору 20 и последовательно соединенным переходам база-эмиттер транзисторов 12 и 5. В силу того,что падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер маломощных транзисторов 4,5 всегда меньше напряжения переходов база-змиттер мощных транзисторов 2, 3 в состоянии их проводимости, переходы коллектор-эмиттер открытых транзисторов 4, 5 блокируют переходы база-эмиттер транзисторов 2, 3, а через переходы коллекторэмиттер транзисторов 11, 12 на вторых- входах логических элементов ИЛИ-НЕ 10, 9 устанавливаются логические нули. Как только на первом входе одного из этих логических элементов, допустим 9, от генератора 6 прямоугольного напряжения тоже появится логический нуль (от его выхода 7), на выходе данного логического элемента образуется логическая единица, пойдет базовый, а, значит, и коллекторный ток транзистора 24, причем ток от его эмиттера пойдет сначала не через переход база-эмиттер транзистора 2, а через переход коллектор-эмиттер транзистора 4, которым транзистор 2 блокирован. За счет возникшего падения напряжения,на коллекторе транзистора 24 через ВС-цепь 13 на базу транзистора 11 будет передан отрицательный всплеск и он одновременно с транзистором 4 закроется. Теперь ток эмиттера транзистора 24 пойдет на база-эмиттерный переход транзистора 2 и он откроется. Пойдет ток по половине обмотки 29 от положительной шины питания на коллектор транзистора 2, Так как потенциал коллектора транзистора 2 понизится, транзисторы 11 и 4 будут оставаться закры 181867350 55 тыми и после окончания всплеска от ЯС-цепи 13, так как падение напряжения перехода коллектор-эмиттер открытого (до насыщения) транзистора 2, даже если он мощный, меньше суммарного напряжения переходов база-эмиттер двух маломощных транзисторов 11 и 4. На время закрытого состоя ния транзистора 11 второй вход логического элемента 10 примет положительный потенциал благодаря его связи через резистор 21 с положительной шиной питания.После смены полупериодов генератора 6 прямоугольного напряжения транзисторы 24, 2 (особенно 2) закрываются с задержкой из-за явления рассасывания в них неосновных носителей. До тех пор, пока транзистор 2 остается открытым, на втором входе логического элемента 10 будет поддерживаться логическая единица, на его выходе - логический нуль и транзисторы 25 и 3 не откроются. После фактического выключения транзистора 2, когда возрастает потенциал его коллектора, откроются транзисторы 4 и 11, в результате чего заблокируется снова транзистор 2 по переходу база-эмиттер и исчезнет логическая единица со второго входа логического элемента 10, что при наличии логического нуля на первом его входе (от выхода 8 генератора прямоугольного напряжения) приведет к открыванию транзистора 25.и развитию всех тех же процессов во втором полупериоде, которые приведут к закрыванию транзисторов 12 и 5(всплеском отрицательной полярности со стороны ИС- цепи 17), открыванию транзистора 3, удерживанию транзисторов 12 и 5 в закрытом состоянии и протягиванию во времени наличия запрещающей логической единицы на втором входе логического элемента 9, пока фактически не выключится транзистор 3 после очередной смены полупериодов генератора 6 и станет допустимым включение транзисторов 24 и 2,Включение транзисторов 24, 25 по отношению к транзисторам 2, 3 близко к составному(эмиттеры первых соединены с базами последних), Но составное включение транзисторов, решая задачу согласования выходов логических элементов в микросхемном исполнении с базами силовых транзисторов (при непосредственном соединении коллекторов основного и согласующего транзисторов) не позволяет достичь их насыщения и снизить потери мощности. Известно (см. например, О. А, Коссов. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. М.: Энергия, 1971, с. 114), что насыщение получается, если напряжение коллектора согласующего транзистора будет выше на 5 10 15 20 25 30 35 40 пряжения коллектора основного трэнзистоВ заявленном инверторе это обеспечивается тем, что как основные силовые транзисторы 2 и 3, так и согласующие 24, 25, нагружены на полуобмотки одного и того же трансформатора 28, Когда включится один из силовых транзисторов, допустим 2, с полуобмотки трансформатора 28, на которую он нагружен, будет трансформироваться напряжение на полуобмотку, относящуюся к его согласующему транз стору 24 и, поскольку она содержит меньше витков, чем основная полуобмотка, на коллекторе транзистора 24 напряжение будет равным напряжению сети за вычетом индуцированного напряжения в относящуюся к нему полуобмотку. С точки зрения максимального КПД при выборе коэффициента трансформации между обмотками 29, 30 следует исходить из того, чтобы разница амплитуд переменных напряжений полуобмоток была равна сумме падений напряжений на переходах база-эмиттер и коллектор-эмиттер соответственно основного и согласующего транзисторов. В такой схеме происходит автоматическое удержание насыщенного состояния силового транзистора: уход его из этого состояния в рабочем для него полупериоде вызывает уменьшение величины индуцированного напряжения в полуобмотку согласующего транзистора, а значит. и увеличение коллекторного напряжения этого транзистора, что способствует поддержанию величины базового тока силового транзистора. Вместе с тем,.мощность, выделяемая в коллекторных цепях согласующих транзисторов, которыми является дополнительная обмотка 30 трансформатора, добавляется к мощности, отдаваемой в нагрузку основными транзисторами.Транзисторы 4 и 5 выполняют роль электронных ключей, заменяющих резисторы между базой и эмиттером силовых транзисторов 2 и 3, которые обычно должны бытьмалой величины (не больше 10 Ом), Но физически эти резисторы нужны лишь когда транзисторы закрыты, а в открытом состоянии они бесполезны, так как на них рассеивается часть мощности уг 1 равления, Каждый из этих ключей во время работы относящегося к ним силового транзистора закрыт и, наоборот, открывается сам, когда закрывается обслуживаемый им силовой транзистор.Управление вторыми входами логических элементов 10 и 9 со стороны транзисторов 11 и 12. переключающимися одновременно с транзисторами 4 и 5, позволяет устранить5 10 15 20 30 35 40 45 50 55 одновременную работу силовых транзисторов 2, 3 (и согласующих транзисторов 24, 25), чем предотвращаются "сквозные" токи (токи "перекрытия"), уменьшающих надежность и КПД инвертора.Инвертор на р-и-р-транзисторах(фиг. 2) работает таким же образом с тем отличием, что если логические элементы ИЛИ-НЕ инвертора с и-р-о-транзисторами управляются логическими нулями по их совпадению на обоих входах, то в инверторе на р-и-р-транзисторах логические элементы И-НЕ управ ляются логическими единицами при их одновременном присутствии на двух входах такого логического элемента. Исходным уровнем на вторых входах элементов И-НЕ инвертора по фиг, 2 являются логические единицы, поступающие на эти входы от коллекторов открытых транзисторов 11 и 12 типа р-и-р. С поступлением от генератора 6 логической единицы на первый вход одного .из логических элементов 9 и 10 на его выходе устанавливается логический нуль, наступает состояние проводимости относящегося к нему согласующего транзи, стара 24 или 25, что кладет начало вышеописанным процессам при противоположной полярности. напряжений на электродах транзисторов.Настоящий транзисторный инвертор с логическими элементами может работать, подобно прототипу, в режиме внешнего управления, являясь в этом случае регулируемым.Такое управление можно осуществить, например, применив логические элементы с тремя входами, подавая на третьи входы сигналы управления. На время, когда на третьих входах на части продолжительности полупериода будет логическая единица для элементов ИЛИ-НЕ или логический нуль для элементов И-НЕ, в выходном напряжении инвертора будет пауза-одинаковая по длительности в каждом полупериоде. Так становится возможным создание регулируемого инвертора по принципу широтно-импульсной модуляции, что присуще прототипу. Подключение широтно-импульсного модулятора к инвертору возможно не только через вводимые третьи входы логических элементов, но и при использовании двухвходовых логических элементов, если последовательно с какими-либо их входами установить дополнительные резисторы. Тогда широтно-импульсный модулятор может быть подключен к этим снабженным дополнительными резисторами входам, при этом выходной каскад широтно-импульсного модулятора должен работать на изменение (в части полупериода) логического нуля (если используются логические элементы ИЛИ-НЕ) или логической единицы (при логических элементах И-НЕ) на противоположный логический уровень. Это может быть реализовано, например, включением коллектор-эмиттерных переходов транзисторов выходных каскадов таких широтно-импульсных модуляторов между входами логических элементов, используемых для управления, и первой шиной питания (противоположной той, к которой подключены резисторы 21, 22).Выходом заявленного транзисторного инвертора может быть не только отдельная обмотка его трансформатора, но и непосредственно коллекторы силовых транзисторов 2,3, что удобно, например, для удвоения напряжения первичного источника питания,Предложенный транзисторный инвертор с логическими элементами выгодно отличается от прототипа тем, что он позволяет получить большую выходную мощность при большем КПД. Это стало возможным благодаря тому, что;выходные сигналы логических элементов, имеющих ограниченную нагрузочную способность, усиливаются двумя противофазными промежуточными (не классически составными) каскадами, в коллекторы транзисторов которых включена дополнительная обмотка трансформатора инвертора. На обслуживание этого каскада не требуется дополнительная мощность и обеспечивается оптимальный режим (с автоматическим поддерживанием) насыщения силовых транзисторов;для того, чтобы управлять транзисторами 11, 12, реализующими совместно с логическими элементами 10, 9 функцию автоматической задержки включения силовых транзисторов, не требуется дополнительной энергии. Для управления этими транзисторами и дополнительными ключевыми транзисторами 4, 5 используются одни и те же управляющие сигналы, так как база-эмиттерные переходы пар транзисторов 11, 4 и 12, 5 включены последовательно и управление ими совместимо. Полезным является также и то, что резисторы, включаемые параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов, могут отсутствовать, их роль выполняют дополнительные ключевые транзисторы, чем исключаются потери мощности управления силовыми транзисторами; инвертор может работать в режиме внешнего управления по принципу широтно-импульсной модуляции.Формула изобретения 1. Транзисторный инвертор, содержащий первый и второй транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому входному выводу инвертора, коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, отвод от средней точки которой соединен с вторым входным выводом инвертора, а базы соединены с первыми парафазными выходами предварительного усилителя, парафазными входами соединенного с выходами первого и второго логических элементов, первые входы которых подключены к выходу задающего генератора, причем трансформатор имеет дополнительную обмотку с отводом от средней точки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД, введены две последовательные НС-цепочки, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом третий и четвертый транзисторы соединены коллектором с базой, эмиттером - с эмиттером соответственно первого и второго транзисторов, а базой а эмиттером соответственно пятогоишестоготранзистооов, коллекторы которых соединены с вторым входомсоответственно второго и первого логических элементов и через введенные первый и второй резисторы - с вторым входным выводом инвертора,а базы через соответствующие последовательные ЯС-цепочки - с крайними выводамидополнительной обмотки, отводом от сред 5 ней точки подключенной к второму входному выводу инвертора, и через введенныетретий и четвертый резисторы - с коллекторами соответственно первого и второготранзисторов, при этом предварительный10 усилитель выполнен на седьмом и восьмомтранзисторах, эмиттер каждого из которыхсоединен с соответствующим первым парафазным выходом предварительного усилителя, коллектор - с соответствующим15 крайним выводом дополнительной обмоткитрансформатора, а база через соответственно пятый и шестой резисторы - с соответствующим парафазным входомпредварительного усилителя,20 2. Инверторпоп,1,отличающийсятем, что все транзисторы выполнены с проводимостью п-р-п-типа, а все логические элементы - ИЛ И-Н Е-типа.3. Инвертор поп.1,отличающийся25 тем, что все транзисторы выполнены с проводимостью р-п-р-типа, а все логические элементы - И-Н Е-типа,1818673 ректор Л.Пилипенк едактор А,Коляда оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 каз 1940 БНИИПИ Го Составитель В,Скач Техред М,Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4(5