ИНВЕРТОР Российский патент 1996 года по МПК H02M7/539 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах автоматики, радиотехники и электромеханики, требующих преобразования энергии постоянного напряжения в энергию переменного напряжения.

Наиболее близким по совокупности признаков является инвертор, содержащий два переключающих транзистора, коллекторы которых соответственно подключены через соответствующие ограничительные резисторы к базам соответствующих силовых транзисторов и через соответствующие конденсаторы к базам несоответствующих переключающих транзисторов, подключенным через соответствующие токозадающие резисторы к общей шине, а эмиттеры объединены и одновременно соединены с выходом источника постоянного напряжения и со средней точкой первичной обмотки трансформатора, выводы которого подключены к коллекторам соответствующих силовых транзисторов, эмиттеры которых объединены и подключены к общей шине (см. Граф Р. Электронные схемы 1300 примеров. М. Мир. 1989, с. 179, рис. 11.1).

Недостатком данного устройства является наличие коммутационных перегрузок, которые возникают вследствие появления так называемых "сквозных" токов, протекающих через силовые транзисторы. Эти токи появляются из-за инерционности силовых транзисторов. Особенно это выражается для мощных транзисторов, которые имеют небольшой коэффициент усиления по току. "Сквозные" токи увеличивают потребление тока и, соответственно, мощности от источника постоянного напряжения, которая рассеивается в виде тепла на силовых транзисторах. Причем эта рассеиваемая мощность не подается никаким расчетам, что одновременно приводит к следующему недостатку к изменению КПД от одного образца инвертора к другому при серийном производстве.

Другой недостаток известного устройства обусловлен тем, что в случае выхода из строя одного из силовых транзисторов, он теряет свою работоспособность, что, соответственно, снижает его эксплуатационную надежность. Снижению эксплуатационной надежности способствует то, что силовые транзисторы используются в импульсном режиме, при котором управляющий сигнал имеет форму меандра, т. е. скважность равна двум. Использование же силового транзистора в импульсном режиме, при котором скважность более двух, дает возможность снизить среднюю мощность расссеивания на нем и одновременно повысить надежность устройства в целом.

Следует отметить следующий недостаток известного технического решения - отсутствие стабилизации выходного напряжения от изменения напряжения источника питания.

Задачей изобретения является создание экономичного и стабилизированного инвертора, обладающего повышенной эксплуатационной надежностью и имеющего малый разброс КПД от одного образца изделия к другому при серийном производстве.

Указанная задача решается тем, что в инвертор, содержащий два переключающих транзистора, коллекторы которых подключены через соответствующие ограничительные резисторы к базам соответствующих силовых транзисторов, а базы через соответствующие токозадающие резисторы к общей шине, к которой также подсоединены эмиттеры силовых транзисторов, коллекторы которых подключены к соответствующим выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подключена к выходу источника постоянного напряжения, согласно изобретению в него введены генератор импульсов, счетчик, интегрирующий резистор, четырехканальный аналоговый ключ с входом управления, причем контакты нечетных каналов нормально замкнуты, а контакты четных каналов нормально разомкнуты, два интегрирующих конденсатора, источник опорного напряжения, два элемента сравнения, элемент 2И, демультиплексор, 2m (m 1, 2, 3,) переключающих транзисторов, 2m ограничительных резисторов, 2m токозадающих резисторов и 2m силовых транзисторов, причем коллекторы m нечетных силовых транзисторов из них объединены и подключены к первому выводу первичной обмотки трансформатора, а коллекторы остальных m четных силовых транзисторов к второму выводу первичной обмотки трансформатора, эмиттеры 2m силовых транзистора объединены и подключены к общей шине, к которой также подключены базы 2m переключающих транзисторов через соответствующие 2m токозадающие резисторы, коллекторы которых через соответствующие 2m ограничительные резисторы подключены к базам соответствующих 2m силовых транзисторов, а эмиттеры всех (2m + 2) переключающих транзисторов к соответствующим выходам демультиплексора, адресные входы которого через счетчик подключены к выходу генератора импульсов, информационный вход - одновременно к выходу источника постоянного напряжения и первому выводу интегрирующего резистора, а вход разрешения прохождения сигнала к выходу элемента 2И, входы которого соединены с выходами соответствующих элементов сравнения, вход управления четырехканального ключа подключен к выходу первого триггера счетчика, входы первого и четвертого каналов и входы второго и третьего каналов соответственно объединены, причем первые из них подсоединены к второму выводу интегрирующего резистора, а вторые к общей шине, а выходы первого и второго каналов и выходы третьего четвертого каналов соответственно объединены и подсоединены к первым входам соответствующих элементов сравнения, и через соответствующие интегрирующие конденсаторы к общей шине, вторые входы элементов сравнения объединены и подключены к источнику опорного напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема инвертора; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

Инвертор содержит генератор 1 импульсов, счетчик 2, демультиплексор 3, вывод 4 источника постоянного напряжения (на фиг. 1 не показан), интегрирующий резистор 5, трансформатор 6, четырехканальный аналоговый ключ 7 с входом управления, причем контакты нечетных каналов 1к и 3к нормально замкнуты, а контакты четных каналов 2к и 4к нормально разомкнуты, два элемента 8 и 9 сравнения, два интегрирующих конденсатора 10 и 11, вывод 12 источника опорного напряжения (на фиг. 1 не показан), элемент 2И 13, силовые транзисторы 14,1.14.2m+2 (m 1, 2, 3,), токозадающие резисторы 15.1.15.2m+2, переключающие транзисторы 16.1.16.2m+2 и ограничительные резисторы 17.1.17.2m+2.

Генератор 1 импульсов через счетчик 2 соединен с адресными входами демультиплексора 3, информационный вход которого одновременно подключен к выводу 4 источника постоянного напряжения, к первому выводу интегрирующего резистора 5 и к средней точке трансформатора 6. Вход управления четырехканального аналогового ключа 7 соединен с выходом первого триггера счетчика 2, входы первого и четвертого каналов и входы второго и третьего каналов соответственно объединены, причем первые их них подключены к второму выводу интегрирующего резистора 5, а вторые к общей шине, выходы первого и второго каналов и выходы третьего и четвертого каналов соответственно объединены и подключены к первым входам элементов 8 и 9 сравнения и через интегрирующие конденсаторы 10 и 11 к общей шине. Вторые входы элементов 8 и 9 сравнения объединены и подключены к выводу 12 источника опорного напряжения, а выходы к входам элемента 2И 13, выход которого подключен к входу разрешения прохождения сигнала демультиплексора 3. Коллекторы нечетных силовых транзисторов 14.1.14.2m+1 и коллекторы четных силовых транзисторов 14.2.14.2m+2 соответственно объединены, причем первые из них подключены к первому выводу первичной обмотки трансформатора 6, а вторые ко второму, эмиттеры всех силовых транзисторов 14.1.14.2m+2 одновременно подключены к общей шине и через соответствующие токозадающие резисторы 15.1.15.2m+2 к базам переключающих транзисторов 16.1.16.2m+2, коллекторы которых через соответствующие ограничительные резисторы 17.1. 17.2M+2 соединены с базами силовых транзисторов 14.1.14.2m+2, а эмиттеры с соответствующими выходами демультиплексора 3.

Инвертор работает следующим образом. Генератор 1 формирует импульсы (фиг. 2а), поступающие на счетчик 2, который управляет работой демультиплексора 3. Одновременно с выхода первого триггера счетчика 2 подается сигнал (фиг. 2б) для управления четырехканальным аналоговым ключом 7, причем при поступлении управляющего сигнала с единичным уровнем первый и третий каналы нормально замкнуты (на фиг. 1 соответственно 1к и 3к), а второй и четвертый каналы нормально разомкнуты (на фиг. 1 соответственно 2к и 4к). При поступлении управляющего сигнала с нулевым уровнем каналы ключа 7 изменяют свои состояния.

Пусть в момент времени t₁ на четырехканальный аналоговый ключ 7 поступает управляющий сигнал с единичным уровнем (фиг. 2б). В этом случае конденсатор 10 начинает заряжаться по цепи: источник постоянного напряжения - интегрирующий резистор 5 конденсатор 10. Одновременно конденсатор 11 разряжается до нуля через замкнутые контакты третьего канала ключа 7 на общую шину. В момент времени t₂ (фиг. 2в) происходит совпадение напряжения на конденсаторе 10 с напряжением Е_оп источника опорного напряжения и элемент 8 сравнения переключается и на его выходе появиться нулевой потенциал (фиг. 2д). В момент времени t₃ на четырехканальный аналоговый ключ 7 поступает управляющий сигнал с нулевым уровнем (фиг. 2б). В этом случае конденсатор 10 моментально разряжается до нуля через замкнутые контакты второго канала ключа 7 и на выходе элемента 8 сравнения возникает соответственно единичный сигнал (фиг. 2д). Одновременно конденсатор 11 начинает заряжаться по цепи: источник постоянного напряжения интегрирующий резистор 5 замкнутые контакты четвертого канала ключа 7 конденсатор 11. В момент времени t₄ (фиг. 2г) происходит совпадение напряжения на конденсаторе 11 с напряжением Е_оп источника опорного напряжения и элемент 9 сравнения переключается. При этом на его выходе появляется нулевой потенциал (фиг. 2е).

Выходные сигналы с элементов 8 и 9 сравнения (фиг. 2д и фиг. 2е) подаются на элемент 2И 13, который формирует импульсы управления состоянием каналов демультиплексора 3 (фиг. 2ж). В течение τ (фиг. 2з) разрешается прохождение питающего напряжения через демультиплексор 3. Последний распределяет управляющие сигналы (фиг. 2з, фиг. 2и, фиг. 2к и фиг. 2л) для силовых транзисторов 14.1.14.2m+2, которые поступают через соответствующие переключающие транзисторы 16.1. 16.2m+2 и ограничительные резисторы 17.1.17.2m+2 на их базы. Причем распределение управляющих сигналов осуществляется таким образом, при котором происходит поочередное подключение первого и второго выводов первичной обмотки трансформатора 6 к общей шине через соответствующие силовые транзисторы 14.1.14.2m+2, этим обеспечивая двухтактную работу инвертора.

По сравнению с известным в предлагаемом инверторе обеспечивается фиксированная задержка между моментом закрывания (фиг. 2з) и моментом открывания (фиг. 2и) очередного силового транзистора, что исключает появление "сквозных" токов и дает возможность работать силовым транзисторам 14.1. 14.2m+2 с малыми коммутационными перегрузками в экономичном режиме и осуществлять стабилизацию КПД от одного образца к другому при их серийном производстве. Кроме того, каждый силовой транзистор 14.1.14.2m+2 (m 1, 2, 3,) при той же отдаваемой импульсной мощности в нагрузку как и в известном инверторе работает со скважностью больше двух и этим уменьшает среднюю мощность рассеивания на нем, а при наличии в предлагаемом техническом решении силовых транзисторов более двух дает возможность ему функционировать даже при выходе из строя одного из них. Это, соответственно, повышает эксплуатационную надежность в целом всего устройства.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения длительностей открытого и закрытого состояния силовых транзисторов 14.1.14.2m+2 (фиг. 2в, фиг. 2г и фиг. 2д). Так, увеличение напряжения на выводе 4 источника постоянного напряжения, соответственно приводящее к увеличению подъема интегрирующего напряжения, показанного верхней наклонной линией на фиг. 2в, компенсируется уменьшением длительности открытого состояния силового транзистора и увеличением длительности закрытого состояния силового ключа, а уменьшение напряжения на выводе 4 приводит к уменьшению подъема интегрирующего напряжения, показанного нижней наклонной линией на фиг. 2в, компенсируется увеличением длительности открытого состояния силового транзистора и уменьшением длительности закрытого состояния, но при этом их сумма длительностей и, соответственно, частота преобразования остается постоянной.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет создавать экономичные и стабилизированные инверторы, обладающие повышенной эксплуатационной надежностью и имеющие малый разброс КПД от одного образца к другому при серийном производстве.

Использование: инвертор относится к электротехнике и может быть использован в устройствах автоматики, радиотехники и электромеханики, требующих преобразования энергии постоянного напряжения в энергию переменного напряжения. Сущность изобретения: инвертор содержит генератор 1 импульсов, счетчик 2, демультиплексор 3, вывод 4 источника постоянного напряжения, резистор 5, трансформатор 6 четырехканальный аналоговый ключ 7, два элемента 8 и 9 сравнения, два конденсатора 10 и 11, вывод 12 источника опорного напряжения, элемент 2 И 13, силовые транзисторы 14.1...14.2m+2 (m = 1, 2,...), токозадающие резисторы 15.1...15.2m+2, переключающие транзисторы 16.1...16.2m+2 и ограничительные резисторы 17.1. ..17.2m+2. Изобретение позволяет создавать экономичные и стабилизированные инверторы, обладающие повышенной эксплуатационной надежности и имеющие малый разброс КПД от одного образца к другому при серийном производстве. 2 ил.

Инвертор, содержащий два переключающих транзистора, коллекторы которых подключены через соответствующие ограничительные резисторы к базам соответствующих силовых транзисторов, а базы через соответствующие токозадающие резисторы к общему выводу, к которому также подсоединены эмиттеры силовых транзисторов, коллекторы которых подключены к соответствующим выводам первичной обмотки трансформатора, средняя точка которой подключена к выводу для подключения источника постоянного напряжения, а выводы вторичной обмотки трансформатора являются выходными выводами, отличающийся тем, что в него введены генератор импульсов, счетчик, интегрирующий резистор, четырехканальный аналоговый ключ с входом управления, контакты нечетных каналов которого выполнены размыкающими, а контакты четных замыкающими, два интегрирующих конденсатора, два элемента сравнения, элемент 2И, демультиплексор, источник опорного напряжения, 2m переключающих транзисторов, 2m ограничительных резисторов, 2m токозадающих резисторов и 2m силовых транзисторов, причем коллекторы m нечетных силовых транзисторов объединены и подключены к первому выводу первичной обмотки трансформатора, а коллекторы m четных силовых транзисторов к второму выводу первичной обмотки трансформатора, эмиттеры 2m силовых транзисторов соединены с общим выводом, к которому подключены через соответствующие 2m токозадающие резисторы базы 2m переключающих транзисторов, коллекторы которых через соответствующие 2m ограничительные резисторы подсоединены к базам соответствующих 2m силовых транзисторов, эмиттеры переключающих транзисторов соединены с соответствующими выходами демультиплексора, адресные входы которого через счетчик подключены к выходу генератора импульсов, информационный вход подключен к выходу источника постоянного напряжения и к первому выводу интегрирующего резистора, а вход разрешения прохождения сигнала к выходу элемента 2И, входы которого соединены с выходами элементов сравнения, вход управления четырехканального аналогового ключа подключен к выходу первого триггера счетчика, входы первого и четвертого каналов и входы второго и третьего каналов четырехканального аналогового ключа соответственно объединены, причем первые из них подсоединены к второму выводу интегрирующего резистора, а вторые к общей шине, а выходы первого и второго каналов и выходы третьего и четвертого каналов соответственно объединены и подсоединены к первым входам соответствующих элементов сравнения и через соответствующие интегрирующие конденсаторы к общему выводу, причем вторые входы элементов сравнения подключены к выходу источника опорного напряжения.