МАГНИТНО-ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1996 года по МПК H03K17/80 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, например в двухтактных резонансных преобразователях.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг. 1 представлен заявляемый МТК 1 в составе импульсного источника света.

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.

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.

Рассмотрим работу МТК в качестве коммутатора цепи питания лампы накаливания импульсного источника света.

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.

На фиг.2 представлена эпюра тока, протекающего через лампу накаливания.

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.

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.

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.

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.

Данное рассмотрение работы заявленного МТК1 показывает возможность применения его для коммутации электрических цепей без применения каких либо дополнительных элементов.

Это доказывает работоспособность заявленного технического решения в объеме совокупности существенных признаков, введенных в формулу изобретения.

Использование: в источниках вторичного электропитания. Сущность изобретения: магнитно-транзисторный ключ содержит трансформатор тока 2, обмотки трансформатора 6-8, силовой транзистор 1, конденсаторы 4, 5, пороговый элемент 3. 1 з.п.ф-лы,2 ил.

1. Магнитно-транзисторный ключ, состоящий из силового транзистора и трансформатора тока, имеющего токовую обмотку, а также управляющую и пусковую обмотки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пороговый элемент и два конденсатора, при этом начало токовой обмотки соединено с концом управляющей обмотки и эмиттером силового транзистора, а начало управляющей обмотки соединено с первым выводом порогового элемента и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом 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, вторым выводом которого является коллектор силового транзистора, а входом ключа служат выводы пусковой обмотки. 2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что 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 служит эмиттер транзистора.