КЛЮЧЕВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H03K3/353 

Ключевое устройство предназначено для использования в ключевых усилителях мощности сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и ключевых преобразователях напряжения с ШИМ.

Известны ключевые устройства с трансформаторной развязкой входной цепи как на биполярных [1], так и полевых МДП [2] транзисторах, предназначенные для высокоэффективного усиления однополярных импульсных сигналов, применяемые в ключевых генераторах сигналов типа "меандр".

В ключевых усилителях мощности с ШИМ их применение ограничено вследствие наличия в сигнале с ШИМ низкочастотных составляющих модулирующего сигнала.

По этой причине для ключевого усиления по мощности сигналов с ШИМ применяются транзисторные ключевые устройства (транзисторные ключи), обеспечивающие усиление двухполярных импульсных сигналов с ШИМ, в которых устранены (или уменьшены) низкочастотные составляющие модулирующего сигнала. Такие ключевые устройства [4,5] содержат входной трансформатор, двухполупериодный выпрямитель и силовой ключевой элемент (мощный транзистор).

Наиболее близким к предлагаемому устройству как по назначению, так и по составу элементов блоков и связей является ключевое устройство, описанное в [5], которое принято за прототип.

Устройство-прототип (фиг.1) содержит входной трансформатор 1, выходы которого соединены со входами двухполупериодного выпрямителя 2, первый выход которого через первый резистор 3 соединен со входом ключевого элемента (КЭ) 6, а второй выход двухполупериодного выпрямителя 2 соединен с общим выводом КЭ 6, первой выходной шиной II и через последовательно соединенный четвертый резистор 7 и конденсатор 14 с базой первого транзистора 9 и первым выводом третьего резистора 8. В свою очередь второй вывод третьего резистора соединен с эмиттером первого транзистора и первым выходом дополнительного трансформатора 13, второй выход которого соединен с общим выводом КЭ 6, а коллектор первого транзистора 9 через второй резистор 10 - с входом КЭ 6. Причем КЭ 6 выполнен на биполярном транзисторе, база которого является входом КЭ, эмиттер - общим выводом, а коллектор - выходом КЭ 6, соединенного с второй выходной шиной 12.

Работает устройство-прототип следующим образом.

На входной трансформатор 1 поступают двухполярные импульсные сигналы с ШИМ. После выпрямления двухполупериодным выпрямителем 2 на его выходе формируются импульсы с ШИМ положительной полярности, которые открывают КЭ 6. При окончании импульса положительной полярности на выходе двухполупериодного выпрямителя 2, через дополнительный трансформатор 13 подается импульс напряжения, открывающий транзистор 9. Благодаря этому ускоряется запирание КЭ 6 током, протекающим через резистор 10.

Основным недостатком прототипа является необходимость использования дополнительного трансформатора 13 (обеспечивающего запирание КЭ 6), который должен обладать малой индуктивностью рассеяния для обеспечения малых искажений длительности импульсов, и управления этим трансформатором 13 специальным устройством. Этот недостаток становится еще более существенным при использовании в качестве КЭ мощных быстродействующих полевых МДП транзисторов, входные цепи которых имеют практически чисто емкостный характер сопротивления. Поэтому быстрое выключение КЭ на полевых транзисторах через цепь, содержащую трансформатор, на практике вызывает большие трудности, т.к. требует реализации трансформатора с чрезвычайно малой индуктивностью рассеяния. Кроме того, для обеспечения быстрого выключения известного устройства необходимо согласование по времени сигналов на выходах входного и дополнительного трансформаторов с высокой точностью, что также вызывает дополнительные трудности при реализации устройств, особенно предназначенных для усиления сигналов с ШИМ в широкополосных усилителях НЧ сигналов.

Целью изобретения является упрощение устройства при снижении искажений длительности усиливаемых импульсных сигналов.

Для достижения указанной цели в известное устройство, содержащее входной трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с входами двухполупериодного выпрямителя, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора, а второй - с первой выходной шиной устройства и общим выводом КЭ, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, а выход - с второй выходной шиной устройства, а также первый транзистор, база и эмиттер которого соединены между собой третьим резистором, и четвертый резистор, введены диод, анод которого подключен к первому выходу выпрямителя, а катод - к входу ключевого элемента, и второй транзистор, база которого соединена с анодом, эмиттер - с катодом диода, а коллектор через четвертый резистор - с базой первого транзистора, коллектор которого подключен к входу КЭ, а эмиттер - к второму выходу выпрямителя и вторым выводам первого и второго резисторов. При этом КЭ выполнен на полевом транзисторе, затвор которого является входом, исток - общим выводом, а сток - выходом КЭ.

Введение новых элементов и связей позволяет путем обеспечения форсированного запирания КЭ, выполненного на полевом транзисторе, при передаче входного сигнала через единственный трансформатор решить задачу упрощения устройства при снижении искажений длительности усиливаемых импульсов.

На фиг. 1 представлена схема устройства - прототипа; на фиг.2 - предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство состоит из входного трансформатора 1, вторичная обмотка которого подключена к входам двухполупериодного выпрямителя 2, между выходами которого подключен первый резистор 3, диода 4, анод которого подключен к первому выходу выпрямителя 2 и базе второго транзистора 5, а катод - к эмиттеру этого же транзистора и входу КЭ 6 При этом коллектор второго транзистора 5 через четвертый резистор 7 соединен с выводом третьего резистора 8 и базой первого транзистора 9, а эмиттер этого транзистора, другой вывод резистора 8 и вывод второго резистора 10 - с вторым выходом выпрямителя 2, с общим выводом КЭ 6 и первой выходной шиной устройства 11. При этом другой вывод второго резистора 10 соединен с эмиттером второго транзистора 5, коллектором первого транзистора 9 и входом КЭ 6, выход которого соединен с второй выходной шиной устройства 12.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

На входной трансформатор 1 подается двухполярный импульсный сигнал, как правило с ШИМ. При этом информативными являются как положительные, так и отрицательные импульсы, а в промежутках между импульсами сигнал имеет нулевой потенциал. Входной трансформатор 1 обеспечивает гальваническую развязку входа ключевого устройства от его выходных шин, что необходимо при использовании ключевых устройств в двухтактных ключевых усилителях, вторичных источниках питания и других устройствах.

На выходе двухполупериодного выпрямителя 2 формируются импульсы положительной полярности, открывающие диод 4 и ключевой элемент 6 При протекании во время отпирающего импульса тока через диод 4 (в момент отпирания ток протекает через входную емкость ключевого элемента, а затем через резистор 10) падение напряжения на нем поддерживает транзистор 5, а следовательно, и транзистор 9 в запертом состоянии.

При окончании импульса на входе устройства диоды двухполупериодного выпрямителя 2 запираются и ток через диод 4 прекращается. При этом напряжение на входной емкости полевого транзистора 6 практически не изменяется, в результате чего через цепь базы транзистора 5 и резистор 3 протекает отпирающий транзистор 5 ток, что приводит к отпиранию транзистора 9, шунтирующего входную цепь полевого транзистора ключевого элемента 6. В результате разряда входной емкости полевого транзистора ключевого элемента 6 непосредственно выходной цепью транзистора 9 обеспечивается ускоренное выключение ключевого элемента 6. Тем самым минимизируется искажение длительности усиливаемых импульсных сигналов.

Ключевое устройство предназначено для использования в ключевых усилителях мощности и ключевых преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией. Изобретение решает задачу упрощения устройства при снижении искажений длительности усиливаемых импульсных сигналов. Это достигается за счет обеспечения форсированного запирания ключевого элемента, выполненного на полевом транзисторе, при передаче входного сигнала через один трансформатор. 2 ил.

Ключевое устройство, содержащее входной трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с входами двухполупериодного выпрямителя, первый выход которого соединен с первым выводом первого резистора, а второй выход - с первой выходной шиной устройства и общим выводом ключевого элемента, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, а выход - с второй выходной шиной устройства, первый транзистор, база и эмиттер которого соединены между собой третьим резистором, четвертый резистор, отличающееся тем, что содержит диод, анод которого подключен к первому выходу выпрямителя, а катод - к входу ключевого элемента, второй транзистор, база которого соединена с анодом диода, эмиттер - с его катодом, а коллектор через четвертый резистор - с базой первого транзистора, коллектор которого подключен к входу ключевого элемента, а эмиттер - к второму выходу выпрямителя и вторым выводам первого и второго резисторов, при этом ключевой элемент выполнен на полевом транзисторе, затвор которого является входом, исток - общим выводом, а сток - выходом ключевого элемента.