Транзисторный инвертор

Ы 1757069 А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(й)з Н 02 М 7/5383 ЗОБРЕТЕНИЯ ПИСАНИ К А,ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 ..,.:-, .:2 (21) 4916425/07; .:.;, " .": :.: . . половину периодаС:помощью обмотки 5 об- (22) 29.12,90.:".;.:., .;:.: ;:. ратной связи силового трансФорматора 3. (46) 23.08.92, Бюл, %31". .-".,: -",:. Первые 9 и 10 и вторые,11 и 12.диоды обра- (71) Научно-производствейное объединение : . зуютвцпрямйтель дла.британия узла управ- автоматики.": .,:".: ",",:;:,:,".:,:,.,:;,: ,:.денио, Возвратный:. транзистор 28 и Р 2) В,С.;Чудаков:,:;:,;. .: ":,:-.:." "-..,;-:четвертйедиоды 17 и 18 обеспечиваютвоз- (56) Авторское"свидетельство СССР .:, ,: врат реактивной энергию нагрузки в источМ 1385211, кл,Н 02 М 7/538, 1986;-;:.;. ник пйтанйя, При этом"на:интервале ,, :. Авторское СвидетельСтво СССР: -;": ;.- времени возврата"с помощью:измеритель-Ь 1457130, кл. НО 2 М 7/537; 1987;. ных резисторо 25 и: 26: и0-триггера 37блокиочется отпиоание."силовоготранзисто- (54) ТРАНЗИСТОРНЪЙ ИНВЕРТОР,:, .;:, ра 1(2), При таковой перегрузке силового тран- (57) Йспользование преобразование.пото- : зистора 1 (2) с помощью; резиСтивного .янного напряжения в переменна. для: сис-; ,- датчика 14 тока,управляющего 23 и каммутем вторичного злектройитания и. тирующего 13 транзисторов обеспечивает- автоматики,Сущность изобретения сило-:.:" ся защитное быключение силовото ф вые транзисторы 1 и 2 переключаютсячерез";.,;: транзистора 1(2),3. ил."Изобретение относится к технике пре- габаритам и работать далеко от состояния. образования энергии постоянного тока в насыщения.энергию переменного тока и может быть Наиболее близким к предлагаемому явиспольэовано для создания источников вто- ляется инвертор, который содержит трансричного электропитания с бестрансформа форматор, два силовых транзистора,. торным входом. коллекторы которых соединены с выводамиИзвестные преимущества двухтактных первичной обмотки трансформатора, имеюпреобразователей, симметрия схемы, улуч- щий среднюю точку, подключенную к перво. - . шенные габаритно-массовые характеристи- му входному выводу, а эмиттеры.ки и высокий КПД, трудно реализуются 10 объединены и через последовательно соеиз-за сквозных токов и замагничивания сер- диненные коммутирующий трайзистор и редечникатрансформатора, поэтомуоднотак- зисторный шунт с вторым входнымтные преобразователи успешно выводом, база каждогосиловоготранэистоконкурируют с двухтактными, особенно для ра через соответствующий резистор соедиповышенных входных напряжений. Имеют нена с выводом обмотки обратной связи ися различные техническйе решения, на- через соответствующий диод к шине питаправленные на устранение этих " нйя управляющей схемы, выводы обмоткинедостатков классического двухтактного обратной связи через соответствующие дипреобразователя-оды соединены с точкой соединения коммуИзвестен преобразователь, содержа тирующего транзистора и резистивногощий конденсатор, который соединяет базышунта и с выводами "Общий" дополнительуправляющих транзисторов, коллекторы ко- ногодвухполярного источника напряжения,торых соединены с базами силовых транзи- выход "+" которого соединен с шиной питасторов. Базы управляющих транзисторов ния управляющей схемы. Эта схема содерчерез резистор подключены к дополнитель жит последовательно соединенныеной обмотке обратной связи с такой поляр- пороговый одновибратор, диод. ЙС-фильтр,ностью, что получается отринательная компаратор и усилитель мощности, выходобратная связь. Помере перезаряда кон- которого соединен с базой коммутирующеденсатора происходит-переключение сило- го транзистора, За счет форсированного эавых транзисторов, время переключения 30 пирания коммутирующего транзистора привыбирается таким; чтобы йереключения превышении током порогового уровня этотпроисходили без насыщения сердечника. инверторимеетповышеннуюнадежностьиНедостатком этой схемы является сквозной. уменьшенные потери йри переключении.ток во время открытого состояния обоих си-: . Однако при наличии индуктивности расловых транзисторов; несмотря на принуди сеяния первйчной обмотки силового транстельное переключение до достижения форматора на сйловых транзисторах принасыщения сердечника, сквозной ток дейст- .переключений появляются вйбросц напрявует на время выключения силового иуправ- жения, намного превышающие преобразуеляющего транзисторов, Это вынуждаетмое напряжение и выводящие транзисторыисйольэовать в преобразователе транзисто из строя, традиционййе методы демпфирорысзначительнымзапасомйомаксймально вания,снижают КПД. Выбросы другой подопустимому току,: лярности на коллектор силовогоВ преобразователе, в котором в базо- транзистора переводят его в инверсноевйе цепи силовых транзисторов; включены включение, следствием чего является дообмотки дополйительйого насыщающегося 45 полнительный разогрев. Существеннымтрансформатора, включение силового тран- недостатком является наличие вспомогазйстора не происходит, пока другой силовой тельного двухполярного источника питания:транзистор не включится и насыщающийся его формирование при больших преобраэутрансформатор не перейдет в насыщенное . емых напряженийсложнои приводиткснисостояние. При правильном подборе режи жению КПД,ма насыщающегося трансформатора эта Цель изобретения - повышение КПД исхема работает без сквозных токов, однакоупрощенйе.насыщению сердечника трансформатора В инвертор, содержащий два силовыхона не может препятствовать. При работе транзистора, коллекторы которых соединена повышенных частотах и мощностях по ны с выводами первичной обмотки трансстоянная составляющая индукции сердеч- форматора, имеющей среднюю точку,ника при приближении к насыщению все подключенную к шине питания, змиттеры -более накапливается до выхода силовых с коллектором коммутирующего транзистотранзисторов из строя, Это заставляет де- ра, а базы - через базовые резисторы слать трансформатор с большим запасом по соответствующими выводами обмотки об5 1757069 6ратнойсвязиэти выводычерездиоды цепи блокирующие третьи диоды 15 и 16, возуправления соединены с эмиттером комму- вратные четвертые диоды 17 и 18, демпфитирующего транзистора, базы силовых. рующие конденсаторы 19 и 20; гасящие транзисторов через запирающие диоды со-. резисторы 21 и 22, транзистор 23 управлеединены с шиной питания схемы управле-: 5 ния,-ограничительный регистр 24, измериния, которая .соединена с входом питаниятельные резйсторы 25-27, возвратный усилителя мощности, выход которогосоеди.-:транзистор 28, ВС-фильтр 29, конденсатор нен с базой коммутирующего транзистора, . 30 цепи питания, задающий генератор 31, эмиттер которого через резйстивный шунт . логический элемент НЕ 32,:логические эле-: подключен к другой шине питания,. ЯС менты 2 И - НЕ 33-36, О-триггер 37, усилифильтр, койденсатор шины пйтания схемы, тель 38 мощности,выполненйцйпо схеме управления, введены два блокирующих :.: ТТЛ фиг.2), токовый инвертирующий эледиода, соединяющихколлекторы силовых - мент 39("токовое зеркало", фиг.2), нагрузку транзисторов с соответствующими выво-. 40, первый вйвод 41 цейи".питания узла уп- дами первичнойобмоткитрансформатора, 15 равления, шийы 42 и 43, первый ивторой которые соединейы двумя встречно-после-;.: входные выводы инвертора,: ..довательносоединеннымивозвратнымиди- .:,:.: Транзисторы 1 и 2 и трансформатор 3 одами, два блокирующих конденсатора," соединены по двухтактной схеме с нулевым соединяющих базу одногосилового транзи-."выводом, базы транзисторов 1 и 2 соединестора с коллектором другого, два гасящих 2 О ны через резистор 7, обмотку 5 обратной резистора,-подключенных параллельно бло-.,;:,. связи и резистар 8, коллекторычерезтретьи кирующим конденСаторам; транзисторный диоды 15,и 16 - с соответс 1 вующимивывокаскад рабочего тока; выполненный по схе-, дами обмотки 4, а эмит 1 ерцподключены к ме ОЭ, транзйсторный каскад возвратного -: выходу"усилителя 38, змитер транзистора тока; выполненный посхеме с ОБ,токовый 25. 13 через резйстивный датчик:14 тока - -к ийвертор, четыре логических элемента 2 И-. общей шине 42 и базе уйравляющего тран- НЕ, логический инвертор, О -триггер и зада- ". зистора 23, эмиттер"которого:подключен к ющий генератор Входы питания " .щине 42, а коллектор через ограничитель- задающего генератора и всех логических,:,.; ный резистор 24- к первому входному выэлементов подключены к шине питания схе- ЗО. воду инвертора 41.мы управления, которая осуществляет уп-,.",:Возвратный транзистор 28 включен равление коммутирующим транзистором":впо схеме с общей базой, в коллекторной эайиСимости-от состояния рабочего й воз-: цепи - два йоследова"ельно. соединен- вратного токов,:, ";-:,: ; нъ 1 х резистора 25 и 26, вэмиггерной-резиПредлагаемый инвертор имеет преиму-. 35 стор 27, эмиттер возвратного трайзистора щество в меньших "потерях при повышен28 подключен к точке"соединения анодов нцх входных йапряжениях и пониженной: ", четвертых диодов 17 и 18, катодыкоторых нагрузке, а также в отсутствиивспомоФа-,:-.: подключены кСоответствующим выводам тельных источников пйтания. В отношении :.обмотки 4, инвертор снабжен цепямл поло- йнверторов с задержкой включения йрейму-:. 40 жительйой обратной связи". коллектор силощество состоит в надежности и больШом ,;:ваго транзйстора 1 через демпфирующий допустимом входном найряжении, В отйо;- . конденсатор 19 и гасящий резистор 21 соешейии двухтактного инвертора с ключами,. .:динен с базой транзистора 2, его коллектор выполненными по каскадной схеме, с внеш-.:,; через конденсатор 20 и гасящиирезистор 22 ним управлением, преимущество состоит.в 45 соединен с базой транзистора 1,простоте силоаой части и более высоком.: :. Базы транзисторов 1.и 2 соединены так- КПД, -.; .: .-, -:же через вторые дйоды.11,12 с шиной 41На фиг 1 представлена электрическая.. питания, выводы" обмотки 5 через-первые схемаинвертора; на фиг.2 - электрическая:.диоды 9 и 10 -сэмиттеромтранзистора 13, схема усилителя мощности и токового ин К шинам 41 и 42 питания подключены конвертора; на фйг.З - временные диаграммы ": денсатор 30, задающий: генератор 31 и всекоммутации. логические элементы 32-39, выход задаюТранзисторный инвертор (фиг.1) содер-: . щего генератора 31 соединен с входом элежит силовые транзисторы 1 и 2, трансфор-мента 33 и через последовательно матор 3, имеющий первичную обмотку 4, 55 соедийенные элемент 32 и ВС-фильтр 29 с обмотку 5 обратной связи и выходную об- , другим входом элемента 33, выход которого мотку 6, базовые резисторы 7 и 7, первые.соединен с входом элемента 34, другой вход диоды 9 и 10 цепи управления, вторые запи- . которого подключен к коллекторууправляюрающие диоды 11 и 12, коммутирующий щего транзистора 23, выход которого подтранзистор 13, резистивный датчик 14 тока, . ключен к шине 4", питания, С-вход - к точкесоединения резисторов 25 и 26, а выход соединен с входом элемента 35, другой вход которого подключен к выходу элемента 33, а выход соединен с входом элемента 36, другой вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора 23, а выход соединен с входом усилителя 38, другой выход которого соединен с входом токового инвертора 39, выход которого соединен с эмиттером транзистора 13.Иквертор работает следующим образом;При подаче перви, кого питания на шины 42 и 43 независимо от скорости нарастания питающего напряжения происходит заряд конденсатора 30 от шины 43 через обмотку 4, диоды 15 и 16, резисторы 21 и 22, диоды 11 и 12, при этом при малой величине напряжения потребление тока логическими элементами (при использовании элементов КМОП) очекь мало. При достижении достаточного потенциала на шине 41 питания начинает работать задающий генератор 31, который выдает на выходе импульсную последовательность, которая, поступая на один входэлемента 33 без задержки, а на другой вход с задержкой, образует на выходе этого элемента короткие импульсы (диаграмма 45).Пройдя через элемент 34, эти импульсы инвертируются и обнуляют триггер 37, который своим инверсным выходом снимает сигнал с элемента 35, переводя его в режим инвертирования сигнала элемента 33, который, проходя еще через два инвертирующих элемента 36 и 38, включает транзистор 13. Таким образом подаегся питание на силовую двухтакткую схему с нулевым выходом, снабженную двумя положительными обратными связями: через обмотку 5 и резисторы 7 и 8, а также через конденсаторы и резисторы 19-22.В резугьтате схема переходит в одно из двух устойчивых состояний, когда один из транзисторов 1 и 2 открыт, а другой закрыт, это состоякие продолжается во время действия включающего импульса на базе транзистора 13, в это время происходит увеличение тока через одну из половин обмотки 4 с соответствующим накоплением энергии в трансформаторе 3. После окончания импульса на базе транзистора 13 цепь питания двухтактной силовой схемы разрывается, ток через обмотку 4 резко уменьшается и полярность напряжения на всех обмотках трансформатора меняется на противоположную, в результате этого в управляющем контуре, состоящем из перехода Э-Б транзистора 1, резистора 7, обмотки 5, резистора 8 и перехода Э-Б транзистора 2, 5 10 возникает ток с противоположным направлением току, который протекая до выключения транзистора 13.Этот ток включает ранее выключенный транзистор 1 или 2 и выключает ранее включенный, при очередном включении транзистора 13 процесс повторяется с включением другой половины обмотки 4. Одновременно с этим переключением напряжение на одном из коллекторов транзисторов 1 и 2 увеличивается, на другом уменьшается, При увеличении напряжения на коллекторе транзистора через конденсатор 19 или 20 протекает ток на базу другого транзистора 15 и через диод 11 или 12 на шину 41 питания,таким образом осуществляется усиление .положительной обратной связи и утилизация энергии демпфирования.Работа инвертора происходит с боль шой скважностью, равной отношению периода генератора 31 к времени ИС-цепи, демпфируемая энергия в этом случае мала.При уменьшении напряжения на коллекторе транзистора через один из диодов 15 и 16 25 и один из конденсаторов 19 и 20 на базудругого транзистора протекает дополнительный к управляющему запирающий ток, после закрывания диода 15 и 16 потенциал вывода обмотки 4 еще уменьшается и начи нает протекать ток через диод 17 или 18.Этот возвратный ток протекает от шины 42 через переход Э-Б тракзистора 28, диод 17 или 18, половину обмотки 4 на шину 43 и возвращает накопленную энергию транс форматора 3 в первичный источник питания.При малой скважности работы возвратный ток также мал.Пусть при очередном переключении(момент то на фиг.З) элемент 33 выключает ся, его сигнал через элементы 35,36 и 38поступает на базу транзистора 13, он выключается через время, равное сумме задержек распространения сигнала элементов 35,36,38 и 13 момент 11). В этот 45 момент происходит переключение и возникает возвратный ток по диаграмме 46 (сплошная линия), который прекращается в момент т 2, когда энергия, запасенная в трансформаторе, полностью перейдет в 50 первичный источник, при этом транзистор28 закрывается, на входе стробирования триггера 37 устанавливается высокий уровень, и триггер перебрасывается в состояние с низким уровнем на выходе, 55 включающем через элементы 36,35 и 38транзистор 13.Таким образом, в интервале О -трэнзистор 13 выключен, в интервале от 12 до 11 следующего цикла включен, диаграмма 47 (сплошная линия) показывает сигнал на базе транзистора 13, управляющий переклю- питания, что упрощает инвертор и повыша.чениями схемы, Эти переключения вызйва- ет надежность, Наличие задающего гейарают изменения напряжения на обмотках тора и работа на постоянной частоте даюттрансформатора, диаграмма 48 показывает " возможность максимально использовать чанапряжение на одном из выводов обмотки 5 стотные свойства силовых транзисторов,4,напряжениенадругомвыводеполучаетсят.е. улучшить габаритно-массовые характесдвигом на половину периода. : ристики, При подключении нагрузки 40 приПри включении транзистора 13 через . достаточнобольшомтокенагруэкитокзапишунт 14 протекает ток, равный току через."рания через диоды 11 и 12 пропорционаленобмотку 4, так как базовый ток транзисторов 10 току нагрузки,этим достигается пропорци 1 и 2 компенсируется подсоединениемдио: ональйое токовоеуправление транзисторомдов 9 и 10 к эмиттеру транзис.гора 13;его 13. Схема утилйзации воэвратйого така вбазовый ток отводится на общую шину.че- первичнуюсеть питанияиуправление этойрез инвертор 39 тока, который выполненсхемой дает возможность работать в широфункцию задания величины тока на нулевом 15 ком диапазоне нагрузок с большим КПД, а вуровне потенциала по велйчинетока"на Дру-" " сочетании с остальнымивведенными элегом уровне. При превышении величины токабейтами регулировать намагничивание серчерез резистивный датчик 14 тока транзи- дечника трансформатора и исключитьстор 23 открывается, ситнал о превышении . превышение максимальйо допустимых рерабочего тока поступает на вход элемента 20 жимав силовых элементов,34 и аналогично сигналу с элемента 33 вы-Преимущества предлагаемого инвертоключает транзистор 13.ра особенно проявляются при высокомСигнал о превышении тока заведен так-"входном напряжении, Уакетирование инже на вход элемента 36, во время прохожде- . : вертора мощностью 200 Вт при входном нания сигнала через элементы 34,37 и 35 с 25 пряжении 300 В на частоте 150 кГц назапоминанием превышения в триггере"транзисторах КТ 859, диодах КД 212 позво-включение транзистора 13 происходит по": ляет достичь объема 0,1 дм и массы 0,3 кгукороченному пути"- через элементы 36 ийри КПД преобразования 0,85, что не может38. Превышение рабочего тока может про- быть получено известными схемами.изойти либо при малом сопротивлении нагрузки 40, либо из-за насыщения . Формула изобретениясердечника трансформаторанапример,при несимметрии схемы или воздействииТранзисторный инвертар, содержащийэлектромагнитного импульса на схему, силовой трансформатор, первичная обмотВ первом случае после включения тран ка которого отводом от средней точки соезистора 13 в момент тз превышение токадинена с первым входным вьгводомпроисходит практически сразу и через не-: .: .: инвертора, а крайними выводами связана сбольшоевремязадержкиэлементов 2336 иколлекторами силовых транзисторов, об 38 транзистор 13 выключается (диаграмма мотка обратной связи каждым выводом со 49 показывает вэтом случае сигнал на базе 40 единена через базовый резистор с базойтранзистора 13), при этом возвратный ток соответствующего силового транзистора иопределяется индуктивностью рассеивания - "через первый диод - с первым выводом реобмотки 4 и мал по величине, сопротивле- эистивногодатчикатока,второй вйводкотоние резистора 27 выбирается таким, чтобы: рого соединен с вторым входным выводомвозвратный ток не приводил к включению 45 инвертора., коммутирующий транзистор, сотранзистора 28. единенный эмиттером с первым выводомВо втором случае превышение тока резистивного датчика тока, а коллектором -происходит в конце интервала времени с с объединенными эмиттерами силовыхвключенным состоянием транзистора 13 транзисторов, база каждого иэ которых че(на диаграммах 46 и 47 пунктирная линия), 50 рез соответствующий второй диод соединев результате намагничивание сердечникана с первым выводом цепи питания узлатрансформатора в направлении, близком к управления, причем второй вывод этой цепинасыщению, укорачивается по времени, а; объединен с вторым входным выводом иннамагничивание в противоположном йа-вертора, и ЕС-фильтр, о т л и ч а ю щ и й с яправлении удлиняется, таким образом, 55 тем,что,сцельюповышения КПДиупрощеосуществляется регулирование намагничй-. ния,-связь каждого крайнего вывода первичвания; ной обмотки силового трансформатора сВведение токового инвертора и блоки коллектором соответствующего силовогорующих конденсаторов позволяет устра- транзистора выполнена через согласно-понить из схемы вспомогательные источникиследовательно включенный введенный тре,2 тий диод, между коллектором каждого сило- логического элемента Н Е, выход первого лового транзистора одного плеча инвертора и гического элемента 2 И - НЕ соединен с пербазой силового транзистора другого плеча выми входами второго и третьего инвертора.включен введенный демпфирую- логических элементов 2 И-Н Е, второй вход щий.конденсатор, шунтированный введен третьего логического элемента 2 И - НЕ подным гасящим резистором, введен узел ключен к выходу О-триггера, входстробиро- .возвратного тока, состоящий из двух чет- вания которого подключен к точке.вертых диодов., соедйненных первыми вы- соединения первого и второго измеритель- водами с краййими выводами первИчной: ных резисторов, вход данных - к первому обмоткисиловоготрансформатора,авторы. выводу цепи питания узла управления, а ми выводами с эмиттером возвратного тран- вход обнуления; к выходу второго логиче-зистора.,коллектор кОторого через ского элемента 2 И-НЕ,второй вход когоропоследовательйо соединенные первый и .го подключей к коллектору управляющего второй измерительные резисторы подклю-: транзистора и первому входучетвертоголочен к первому выводу цепи питания узла 18 гического элемента 2 И-НЕ, второй вход коуправлейия, а база подключейа к второмуторого подключен к выходу третьего.входному выводу инвертора, при этом узел : логического элемента 2 И-НЕ, а выход соеуправленииясостоитиззадающего гейерато- . . дийен с входом усилителя мощности,.перра, О-триггера; логического элемента НЕ,: . вый- выход которого соединен с базой первого, второго; третьегой четвертого ло коммутирующего транзистора, а второй вы-гичесхогозлемейта 2 И-НЕ,усилителя мощ-ход через токовый инвертирующий элености, токового инвертйрующего элементамент ".Соединен , сэмиттером иуправляющего транзистора, причем восход "коммутирующего транзистора и базой уй-,, задающегогенератора:соединен с входом равляющего транзистора, соединенногологического элемента ЙЕ и первым входом 25 эмиттером с вторым входным выводом инпервого логйческогоэлемента.2 И-НЕ, вто- вертора, а коллектором. через ограничирой.входкоторогосоединенсвйходом ВС- тельный резистор - с первым выводом фйльтра подключенного входом к выходу . цепи. питания узлауправления.1757069 Составитель 8.ЧудаковРедактор И.Шулла Техред М.Моргентал Корректор М.Максимищин м при ГКНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 3098 ВНИИПТиражПодписносударственного комитета по изобретениям и открц 113035, Москва, Ж; Раушская наб., 4/5