ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК H02M5/257 H05B37/02 H05B41/29 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для построения автоколебательных систем управления люминесцентными лампами ("электронные балласты"), а также галогенными лампами, вторичными источниками питания.

Известна базовая схема автогенераторной системы для управления люминесцентными лампами, выполненная на дискретных элементах и содержащая выпрямительный мост на диодах D1-D4 с предохранителем F1 и сглаживающей емкостью C1, два силовых транзистора T1 и T2 с обратными диодами, базовыми резисторами R2, R3, соответственно, и выравнивающими эмиттерными резисторами R4 и R5, управляемых токами вторичных обмоток трансформатора L1, L2 с первичной обмоткой L3, включенной последовательно с токоограничивающей индуктивностью L4, развязывающей емкостью C4 и люминесцентной лампой, параллельно которой включена резонансная емкость C3, а также содержащая цепь запуска, состоящую из диака TH1, токозадающего резистора R1, стартовой емкости C2 и сбрасывающего диода D5.

На фиг. 1 приведена базовая схема автогенераторной системы.

Схема работает следующим образом.

Диодный мост D1 - D4 и сглаживающая емкость C1 преобразуют переменное напряжение сети (например, 220В) в постоянное (≅ 300В).

Стартовая цепь на резисторе R1, емкости C2 и диаке TH1 дает первоначальный "толчок" для возбуждения автоколебаний, диод D5 блокирует эту цепь после начала колебаний.

Автотрансформатор построен на обмотках L1, L2, L3. Автоколебания возможны при противофазном включении вторичных обмоток и сдвиге фаз по току в первичной и вторичной обмотках трансформатора, близкому к π/2 на рабочей частоте, что достигается малым количеством витков во вторичных обмотках.

Резисторы R2 и R3 ограничивают базовые токи соответственно силовых транзисторов T1 и T2.

Резисторы R4 и R5 необходимы для выравнивания характеристик дискретных транзисторов T1 и T2.

Индуктивность L4 ограничивает скорость нарастания тока и одновременно образует последовательный колебательный контур с емкостью C3, необходимый для получения достаточно высокого напряжения зажигания лампы.

Емкость C4 служит для развязки по постоянному току.

Основные недостатки такой схемы следующие:
жесткий режим работы силовых транзисторов по напряжению и току. При синусоидальном управляющем сигнале на базах транзисторов при их выключении неизбежны интервалы времени, когда транзистор работает в активном режиме - при полном напряжении на коллекторе и постепенно спадающем коллекторном токе. Это происходит вследствие работы на индуктивную нагрузку. Время такого нежелательного режима составляет 1 - 4 мс, в зависимости от формы тока во вторичной обмотке трансформатора. Наличие этого режима требует тщательного выбора транзисторов по мгновенным мощностным характеристикам;
значительная рассеиваемая мощность на транзисторах при работе в активном режиме, что приводит к понижению КПД системы в целом и к необходимости решения проблемы отвода тепла;
проблема ограничения напряжения на холодной лампе при пуске, так как старт холодной лампы резко сокращает ее срок службы (это решается, например, включением параллельно резонансной емкости C3 дополнительного терморезистора);
отсутствие защиты по току;
невозможность регулирования яркости лампы.

Предлагаемый полумостовой автогенератор в интегральном исполнении позволяет устранить указанные недостатки и реализовать следующие основные функции:
управление автоколебательной системой с минимальными мощностными потерями;
защита силового транзистора по току;
ограничение тока нагрузки в начальный момент пуска системы при работе на нелинейную нагрузку;
возможность регулирования яркости ламп нагрузки.

Сущность изобретения: к силовым транзисторам полумостового автогенератора подключены схемы управления, идентичные для верхнего и нижнего силового транзистора, которые для уменьшения рассеиваемой мощности преобразуют синусоидальное напряжение в ток прямоугольной формы, подаваемый в базы силовых транзисторов, и активно запирают силовые транзисторы при их выключении. Кроме того, нижний силовой транзистор имеет схему защиты по току, которая имеет внешнюю регулировку ее уровня и через схему блокировки выключает силовой транзистор при превышении заданного уровня выходного тока.

На фиг. 2 изображена схема полумостового автогенератора в составе автоколебательной системы для управления люминесцентными лампами.

На фиг. 3 изображена схема полумостового генератора практического применения в интегральном исполнении.

Полумостовой автогенератор содержит верхний силовой транзистор T1 с обратным диодом D5, управляемый схемой управления 1, которая преобразует синусоидальное напряжение вторичной обмотки L1, подключенной ко входу 2 схемы управления, в ток прямоугольной формы, который передается на выход 4 схемы управления, к которому базой подключен силовой транзистор T1. К входу 1 схемы управления 1 подключена накопительная емкость C5, обеспечивающая постоянное питание схемы управления 1. Преобразование напряжения в ток в схеме управления осуществляется генератором тока, построенным на резисторе R3 и транзисторах T3, T4, T5. Порог выключения генератора тока задается резистором R4 и стабилитроном ST1. Активное выключение силового транзистора T1 осуществляется транзисторами T6 и T7. Для заряда накопительной емкости C5 служит диод D7, диод D8 предотвращает ее разряд, последовательная цепочка из диода D9 и резистора R5 удерживает силовой транзистор в закрытом состоянии. Вторые выводы емкости C5 и обмотки L1 соединены с эмиттером силового транзистора T1, выходом 6 схемы управления 1, первым концом первичной обмотки L3 трансформатора и с коллектором нижнего силового транзистора T2 с обратным диодом D6, который управляется схемой управления 2, идентичной схеме управления 1. Эмиттер нижнего силового транзистора T2 подключен ко входу схемы защиты по току 4, второй вход которой подключен к внешнему регулировочному резистору R2. Схема защиты 4 запитывается током резисторов R7, R8 и содержит токовый резистор R6, напряжение с которого сравнивается с опорным транзисторами T8, T9. Сигнал с выхода схемы защиты 4 передается на схему блокировки 5, имеющую тиристор TH2, опорный стабилитрон ST2 и усилительный транзистор T10, который коллектором и эмиттером подключается к входам 3 и 4, соответственно, схемы управления 2. Для сброса схемы блокировки служит цепочка из транзистора T11 и резистора R9, подключаемая ко вторичной обмотке L2. Для первоначального запуска автоколебательной системы служит схема запуска 3, состоящая из токозадающего резистора R1, опорной цепочки на резисторе R10 и стабилитроне ST3 и стартовом тиристоре TH1 с ограничительным резистором R11. Для блокировки стартовой цепочки служит транзистор T12 и резистор R12, подключенный ко вторичной обмотке L2.

Схема работает следующим образом.

После подачи на схему полумостового автогенератора выпрямленного сетевого напряжения (диодным мостом D1-D4 и сглаживающей емкостью C1) через резистор R1 схемы запуска 3 начнет заряжаться стартовая емкость C2.

После того, как напряжение на ней превысит напряжение на стабилитроне ST3 на напряжение открытого эмиттер - базового перехода P-N-P-транзистора тиристора TH1, последний откроется и разрядит стартовую емкость C2 через ограничительный резистор R11 в базу нижнего силового транзистора T2, открывая его примерно на четверть периода рабочей частоты колебаний автоколебательной системы.

Транзистор T2 откроется и начнет пропускать ток через нити накала люминесцентной лампы, емкости C3, C4, индуктивность L4 и первичную обмотку L3 трансформатора. Во вторичных обмотках трансформатора будет наводиться ЭДС индукции, причем в L2 положительное напряжение, в L1 отрицательное (по отношению к выводам 2-6 схем управления). Этот полупериод для схемы управления 2 будет рабочим, для схемы управления 1 - нерабочим, поэтому дальше описываются процессы в схеме управления 2. Через диод D7 накопительная емкость C6 начнет заряжаться и при превышении напряжения в три базо-эмиттерных напряжения генератор тока откроется и начнет передавать ток из обмотки L2 в базу силового транзистора T2, тем самым поддерживая автоколебательный процесс. Емкость C6 зарядится до номинального напряжения (примерно 7B) и генератор тока полностью выйдет на рабочий режим. При дальнейшем увеличении тока через первичную обмотку трансформатора вследствие сдвига фаз напряжение на вторичной начнет уменьшаться. Напряжение на емкости C6 будет относительно постоянным (небольшой разряд через генератор тока и резистор R4), и также будет оставаться постоянным ток в базу транзистора T2. После того, как напряжение на обмотке L2 станет меньше опорного напряжения на стабилитроне ST1, включится транзистор T6 и T7, последний перехватит ток из базы транзистора T2 и будет его активно запирать. Напряжение на коллекторе поднимется, и ток нагрузки будет продолжать течь через обратный диод D5, постепенно уменьшаясь и потом меняя знак. В дальнейшем напряжение на обмотке L2 становится отрицательным, напряжение на обмотке L1 становится положительным, начинается рабочий полупериод для схемы управления 1 и силового транзистора T1. Процесс повторяется таким же образом, как для нижней части полумоста.

Частота автоколебаний будет зависеть от параметров трансформатора. Если последовательная резонансная цепь из L4-C3 настроена на эту частоту (развязывающая емкость C4 на порядок больше C3 и не влияет на резонансную цепь), то с каждым периодом будет увеличиваться напряжение на C3 и ток через нагрузку (и силовые транзисторы, соответственно). При достижении определенного значения тока через емкость C3 и, соответственно, напряжения необходимо остановить его рост, пока нити накала лампы не разогреются и ее напряжение зажигания не снизится до напряжения на емкости C3. Для этого внешним резистором R2 устанавливают уровень напряжения из условий:
I_ОГР=U_R2/R6;
U_R2=I_R2•R2
I_R2=(U_CC-U_ST2)/R8;
где I_ОГР - требуемый ток ограничения,
U_R2 - напряжение на резисторе R2,
I_R2 - ток через резистор R2,
U_CC - напряжение питания полумостового автогенератора,
U_ST2 - напряжение на стабилитрон ST2.

При нарастании тока через нижний силовой транзистор T2 до значения I_ОГР транзистор T8 выключится, ток резистора R7 потечет в базу N-Р-N- транзистора тиристора TH2 и включит его, он в свою очередь откроет усилительный транзистор T10. Транзистор T10 по входу 3 схемы управления 2 закроет в ней генератор тока, а по входу 5 включит запирающий транзистор T7. Силовой транзистор T2 закроется. Ток нагрузки, спадая, потечет через диод D5. На следующем полупериоде происходят следующие процессы: схема блокировки 5 сбросится цепочкой R9-T11, так как напряжение на входе 2 схемы управления 2 становится отрицательным; ток через силовой транзистор T1 или будет меньше I_ОГР вследствие частичного затухания колебаний при принудительном выключении силового транзистора T2, или превысит I_ОГР вследствие работы контура на резонансной частоте; что перевесит - будет зависеть от добротности контура. Однако, на следующем полупериоде ток через силовой транзистор T2 снова ограничится на уровне I_ОГР. Процесс застабилизируется до окончания разогрева лампы и ее зажигания. После этого резонансная емкость C3 будет эффективно шунтироваться сопротивлением лампы, ток нагрузки понизится до тока горения лампы. Изменением номинала регулировочного резистора R2 теперь можно регулировать яркость горения лампы.

На фиг. 3 приведена схема практического применения в интегральном исполнении.

Данная схема реализована в опытно-конструкторской работе "Море-9М" (Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр Схемотехники и Интегральных Технологий", г.Брянск).

Основные дополнения к описанной выше схеме - это запитка схемы запуска, защиты и блокировки генераторами тока, построенными на транзисторах Q1, Q2, Q4 и Q5, а также введение схемы тепловой защиты на транзисторе Q3, усиление схемы блокировки дополнительными транзисторами и добавление резисторов, шунтирующих от тепловых утечек и емкостных токов базо-эмиттерные переходы транзисторов и тиристоров.

Литература
1. Elektro-anzeiger 44. Jg. Nr. 11, v. 13, 12, 1991, стр.67-68.

2. Силовые полупроводниковые приборы. Перевод с английского под редакцией В. В.Токарева Первое издание. Воронеж, 1995 г. АО "ТранЭлектрик", стр. 393-402, стр. 592 - 603.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для построения автоколебательных систем управления люминесцентными лампами ("электронные балласты"), а также галогенными лампами, вторичными источниками питания. К силовым транзисторам полумостового генератора подключены схемы управления, идентичные для верхнего и нижнего транзистора полумоста, которые для уменьшения рассеиваемой мощности преобразуют синусоидальное напряжение вторичных обмоток трансформатора в ток прямоугольной формы, передаваемый в базы силовых транзисторов, и активно запирают силовые транзисторы при их выключении. Кроме того, по крайней мере нижний транзистор полумоста имеет схему защиты по току с возможностью внешней регулировки ее уровня, при этом при превышении заданного уровня тока сигнал со схемы защиты передается на схему блокировки, которая срабатывает по тиристорному принципу, полностью выключая силовой транзистор, и которая имеет сброс на каждом нерабочем для данного силового транзистора полупериоде автоколебаний. Техническим результатом является управление автоколебательной системой с минимальными мощностными потерями, возможность регулирования яркости ламп нагрузки. 3 ил.

Полумостовой автогенератор, содержащий верхний и нижний силовые транзисторы, соединенные по полумостовой схеме, каждый с обратным диодом, и схему запуска, отличающийся тем, что в него введены схемы управления силовыми транзисторами, идентичные для верхнего и нижнего силовых транзисторов, которые преобразуют синусоидальное напряжение в ток прямоугольной формы, подаваемый в базы силовых транзисторов, и активно запирают силовые транзисторы при их выключении, и подключенная к нижнему силовому транзистору схема защиты по току с внешней регулировкой уровня защиты, сигнал с выхода которой передается на схему блокировки, которая имеет сброс на каждом не рабочем для данного силового транзистора полупериоде автоколебаний.