ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК H02M7/5387 H05B41/24 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, для построения автоколебательных систем управления люминесцентными лампами, дроссельно-ртутными лампами, дроссельно-натриевыми лампами (электронные балласты), а также галогенными лампами, вторичными источниками питания.

Известен автогенератор, содержащий силовой транзистор, трансформатор, управляющая обмотка которого через токоограничивающий резистор подключена к эмиттер-базовому переходу силового транзистора, цепь форсированного запирания силового транзистора, состоящая из накопительного конденсатора, шунтирующего эмиттер-базовый переход силового транзистора через дополнительный транзистор обратного типа проводимости, базового резистора дополнительного транзистора, первого и второго диодов (Авт. свид. N 544075, кл. H 02 M 1/08, опубл. 1977 г.).

Недостаток этой схемы автогенератора заключается в том, что накопительный конденсатор к моменту запирания силового транзисторного ключа несколько разряжается через обмотку управления трансформатора, в результате чего снижается эффективность форсирования процессы запирания.

Наиболее близким к заявляемому объекту является полумостовой автогенератор, содержащий верхний и нижний силовые транзисторы, соединенные по полумостовой схеме, каждый с обратным диодом, и схему запуска. 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 при их выключении. Кроме того, по крайней мере, нижний силовой транзистор имеет схему защиты по току с возможностью внешней регулировки ее уровня и через схему блокировки выключает силовой транзистор при превышении заданного уровня выходного тока (Патент РФ N 2141717, кл. H 02 M 5/257, H 05 B 37/02, 41/29, 1999 г.).

Недостатки этой схемы полумостового автогенератора - жесткий режим работы силовых транзисторов по напряжению и току, сложная схема управления, не исключающая появления сквозных токов при переходных процессах, и, как следствие, низкий КПД.

Изобретение направлено на повышение КПД полумостового автогенератора за счет исключения сквозных токов при переходных процессах и исключения коммутационных потерь с одновременным повышением безопасности работы схемы автогенератора при любых режимах нагрузки от холостого хода до короткого замыкания за счет формирования безопасной траектории переключения силовых транзисторов.

Это достигается тем, что в полумостовом автогенераторе, содержащем сетевой выпрямитель, емкостной делитель, коммутирующий трансформатор с двумя идентичными управляющими обмотками и одной обмоткой обратной связи, защитный дроссель, силовые транзисторы и нагрузку, к силовым транзисторам противофазно подключены через диодно-емкостные цепи управляющие обмотки коммутирующего трансформатора, при этом параллельно обмотке обратной связи коммутирующего трансформатора подключен задерживающий конденсатор, между точкой соединения конденсаторов емкостного делителя и точкой соединения силовых транзисторов установлен дополнительный формирующий конденсатор, а в коллекторные цепи силовых транзисторов дополнительно включены разделительные диоды.

Кроме того, для обеспечения безопасной работы в режимах короткого замыкания на выходе нагрузку подключают через токоограничивающий дроссель.

На фиг. 1 изображена схема вторичного источника питания для дроссельно-ртутных ламп; на фиг. 2 - то же, для люминесцентных ламп; на фиг. 3 - то же, для сварочного аппарата.

Полумостовой генератор содержит коммутирующий трансформатор с обмоткой обратной связи 2 и двумя идентичными управляющими обмотками 3 и 4, соединенными соответственно началом и концом с анодами диодов 5 и 6, параллельно которым подключены конденсаторы отрицательного смещения 7 и 8. Катоды диодов 5 и 6 с подключенными к ним конденсаторами 7 и 8 соединены соответственно с базами силовых транзисторов 9 и 10 и первыми выводами соответствующих резисторов положительного смещения 11 и 12. К коллектору силового транзистора 9 подключен катодом разделительный диод 13, к аноду которого подсоединен вторым выводом резистор положительного смещения 11, катод обратного диода 14, положительный вывод конденсатора 15 емкостного делителя напряжения и являющейся плюсовой шиной питания положительный выход сетевого диодного моста 16. Эмиттер силового транзистора 9 соединен с концом управляющей обмотки 3 коммутирующего трансформатора 1, с анодом разделительного диода 17, с первым выводом резистора положительной обратной связи 18, со вторым выводом резистора положительного смещения 12, с анодом обратного диода 19, с первым выводом формирующего конденсатора 20 и первым выводом защитного дросселя 21. Силовой транзистор 10 коллектором соединен с катодом разделительного диода 17, а эмиттером - с началом управляющей обмотки 4, с анодом обратного диода 19, с отрицательным выводом конденсатора 22 емкостного делителя, с являющимся минусовой шиной питания отрицательным выводом сетевого диодного моста 16. Второй вывод формирующего конденсатора 20 соединен с минусовым выводом конденсатора 15 и плюсовым выводом конденсатора 22, образующих емкостной делитель напряжения, куда также подключен и конец обмотки обратной связи 2 коммутирующего трансформатора 1, причем параллельно этой обмотке обратной связи 2 подключен задерживающий конденсатор 23, а начало этой же обмотки 2 соединено со вторым диодом резистора положительной обратной связи 18. Нагрузку 24, например, дроссельно-ртутную лампу (см. фиг. 1), или выходной трансформатор для люминесцентной лампы (см. фиг. 2), или сварочный аппарат (см. фиг. 3) подключают между точкой соединения конденсаторов 15 и 22 и вторым выводом защитного дросселя 21. Напряжение питания подают на вход сетевого диодного моста 16 через предохранитель 25.

Полумостовой автогенератор работает следующим образом.

При подаче напряжения питания развивается процесс запуска автогенератора, заряжаются конденсаторы емкостного фильтра 15 и 22 и одновременно с этим ток начинает течь через резисторы положительного смещения 11 и 12, в результате чего заряжаются емкости отрицательного смещения 7 и 8. Как только напряжение на этих конденсаторах достигает уровня открывания база - эмиттерных переходов силовых транзисторов 9 и 10, последние приоткрываются, входят в зону активного неустойчивого состояния, при этом за счет резистора положительной обратной связи 18 происходит скачкообразное открывание одного из транзисторов, предположим верхнего 9, и одновременное закрывание нижнего транзистора 10. Ток базы силового транзистора 9, величина которого определяется резистором положительной обратной связи 18 и коэффициентом трансформации между обмотками 2 и 3, 4, перезаряжает конденсатор отрицательного смещения 7 до уровня прямого падения напряжения на диоде 5, при этом напряжение на управляющей обмотке 3 коммутирующего трансформатора становится равным сумме прямых падений напряжений на переходах база-эмиттер транзистора 9 и диода 5 и составляет примерно 2 В. Точно такая же величина, но противоположная по знаку, устанавливается и на идентичной обмотке того же трансформатора, удерживая транзистор 10 в закрытом состоянии. После отпирания силового транзистора 9 через него начинает с нуля течь ток по цепи: первый вывод источника питания - плюсовая шина питания - прямо смещенный развязывающий диод 13 - коллектор транзистора 9 - эмиттер транзистора 9 - токоограничивающий дроссель 21 - нагрузка 24 - средняя точка емкостного делителя 15, 22 - минусовая шина питания - второй вывод источника питания. При этом формирующий конденсатор заряжается до уровня, равного половине напряжения питания в данный момент, и происходит накопление энергии в токоограничивающем дросселе 21. Через некоторый промежуток времени, определяемый магнитными свойствами сердечника коммутирующего трансформатора 1, произойдет насыщение последнего, что вызовет исчезновение напряжения в его обмотках, в результате чего конденсатор обратного смещения 7 окажется подключенным параллельно база-эмиттерному переходу транзистора 9, причем напряжение заряда этого конденсатора 7 будет обратным для база-эмиттерного перехода транзистора 9, что вызовет форсированное закрывание последнего, в результате чего протекание тока через транзистор 9 прекратится.

В течение времени, пока рассасываются неосновные носители в базовой области транзистора 9, иными словами, существует инверсная проводимость база-эмиттерного перехода транзистора 9, заряд конденсатора 7 будет препятствовать появлению напряжения отпирания транзистора 10 за счет жесткой связи между обмотками 3 и 4 трансформатора. После того как протекание тока через транзистор 9 прекратится, напряжение на нем будет оставаться еще неизменным за счет заряженного формирующего конденсатора 20, а ток нагрузки, протекающий через транзистор 9, теперь пойдет из формирующего конденсатора 20, постепенно разряжая его.

Таким образом, в момент выключения транзистора 9 отсутствуют коммутационные потери, так как на транзисторе при разрыве тока нет напряжения, что свидетельствует о формировании траектории выключения транзистора 9, исключающей коммутационные потери. После того как напряжение на конденсаторе 20 станет равным нулю, он начнет перезаряжаться за счет накопленной энергии в токоограничивающем дросселе 21, что вызовет смену полярности напряжения на формирующем конденсаторе 20 и, следовательно, на выходе автогенератора и на резисторе обратной связи 18.

Напряжение на выходе автогенератора будет продолжать линейно уменьшаться до момента отпирания обратного диода 19, через который далее будет протекать оставшийся накопленный ток в дросселе 21. После того как произошла смена полярности напряжения на формирующем конденсаторе 20, то есть на выходе автогенератора и на резисторе обратной связи 18, необходимо не допустить отпирания ранее закрытого силового трансформатора 10 во избежание появления скачкообразного тока заряда формирующего конденсатора 20, что обеспечивается задерживающим конденсатором 23. Как только напряжение на этом конденсаторе 23 достигнет через коэффициент трансформации трансформатора 1 величины, достаточной для отпирания силового транзистора 10, последний откроется. Причем к моменту отпирания напряжение на нем будет нулевым, и ток через транзистор 10 еще какое-то время не будет протекать, так как токоограничивающий дроссель 21 будет отдавать накопленную в нем энергию через диод 19. С момента времени, когда энергия в токоограничивающем дросселе 21 закончится, ток пойдет через разделительный диод 17 и открытый транзистор 10 с нулевого значения. Таким образом, в момент отпирания транзистора 10 напряжение на нем было уже нулевым, а тока нет, следовательно, полностью отсутствуют коммутационные потери в момент отпирания транзистора. Разделительный диод 17 необходим для того, чтобы исключить прохождение через открытый диод 10 инверсного тока токоограничивающего дросселя 21 с целью уменьшения мощности, выделяемой на транзисторе. Далее транзистор 10 удерживается в открытом состоянии током базы, величина которого так же, как и для транзистора 9 определяется резистором положительной обратной связи 18 и коэффициентом трансформации между обмотками 2 и 3, 4, кроме того, этим же током базы также заряжается конденсатор отрицательного смещения 8 до уровня прямого падения напряжения на диоде 6. При этом напряжение на управляющей обмотке 4 коммутирующего трансформатора 1 становится как и в предыдущей полуволне равным сумме прямых падений напряжения на переходах база-эмиттер транзистора 10 и диода 6 и составляет примерно 2 В. В это время на базе транзистора 9 устанавливается напряжение, равное сумме напряжений на обмотке 3 и на конденсаторе 7, что составляет примерно минус 3 В, которое надежно удерживает транзистор 9 в закрытом состоянии, создавая ему отрицательное смещение. После чего через транзистор 10 начнет протекать ток по цепи: первый вывод источника питания - плюсовая шина питания - первый вывод конденсатора 15 емкостного делителя - средняя точка емкостного делителя 15, 22 - второй вывод нагрузки 24 - первый вывод нагрузки 24 - второй вывод токоограничивающего дросселя 21 - первый вывод токоограничивающего дросселя 21 - анод разделительного диода 17 - катод разделительного диода 17 - коллектор транзистора 10 - эмиттер транзистора 10 - минусовая шина питания - второй вывод источника питания. При этом так же, как и в предыдущей полуволне формирующий конденсатор 20 заряжен до уровня, равного половине напряжения питания, но противоположного по знаку значения, и также происходит накопление энергии в токоограничивающем дросселе противоположного знака. Через тот же промежуток времени, определяемый также магнитными свойствами сердечника коммутирующего трансформатора 1, произойдет насыщение последнего, что вызовет исчезновение напряжения в его обмотках, в результате чего конденсатор обратного смещения 9 окажется подключенным параллельно база-эмиттерному переходу транзистора 10, причем напряжение заряда этого конденсатора 8 будет обратным для база-эмиттерного перехода транзистора 10, что вызовет форсированное закрытие последнего. В результате этого протекание тока через транзистор 10 прекратится, а напряжение на нем будет еще оставаться неизменным за счет заряженного формирующего конденсатора 20. Кроме того, ток нагрузки, протекающий через транзистор 10, теперь будет течь из емкости формирующего конденсатора 20, постепенно разряжая его, как и в переходном процессе предыдущей полуволны, но противоположного знака. Таким образом, при выключении транзистора 10 отсутствуют коммутационные потери, так как на транзисторе при разрыве тока нет напряжения, что свидетельствует о формировании траектории выключения транзистора 10, исключающей коммутационные потери. После того как напряжение на конденсаторе 20 станет опять равным нулю, он начнет перезаряжаться за счет накопленной энергии в токоограничивающем дросселе 21, что вызовет смену полярности напряжения на формирующем конденсаторе 20 и, следовательно, на выходе автогенератора и на резисторе обратной связи 18. Напряжение на выходе автогенератора будет продолжать линейно увеличиваться до момента отпирания обратного диода 14, через который далее будет идти оставшийся накопленный ток в дросселе 21. После того как снова перезарядится через резистор обратной связи 18 задерживающий конденсатор 23, произойдет отпирание транзистора 9, и процесс повторится.

Таким образом, в заявленном устройстве исключены сквозные токи и сформирована безопасная траектория переключения силовых транзисторов, исключающая наличие коммутационных потерь.

Предлагаемый полумостовой автогенератор может быть использован в качестве источника питания для дроссельно-ртутных ламп, люминесцентных ламп, сварочного аппарата и т. п., в то время как полумостовой автогенератор по прототипу может быть использован лишь для люминесцентных и галогенных ламп. При этом предлагаемый автогенератор по сравнению с прототипом позволит обеспечить более высокий КПД за счет исключения сквозных токов при переходных процессах и исключения коммутационных потерь, а также более безопасную работу схемы автогенератора при любых режимах нагрузки от холостого хода до короткого замыкания за счет формирования безопасной траектории переключения силовых транзисторов.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, для построения автоколебательных систем управления люминесцентными лампами, дроссельно-ртутными лампами, дроссельно-натриевыми лампами (электронные балласты), а также галогенными лампами, вторичными источниками питания. Техническим результатом является повышение КПД автогенератора и повышение безопасности его работы. Полумостовой автогенератор содержит сетевой выпрямитель, соединенный своими выводами со входами емкостного делителя, а также с плюсовой и минусовой шиной питания, одна из которых соединена с коллектором одного силового транзистора, другая - с эмиттером второго силового транзистора, коммутирующий трансформатор с одной обмоткой обратной связи и двумя идентичными управляющими обмотками, соединенный одними выводами с базами силовых транзисторов, а другими выводами - с эмиттерами силовых транзисторов, токоограничивающий дроссель, соединенный одним выводом с выходом автогенератора, а другим выводом - с нагрузкой, которая соединена со средней точкой емкостного делителя. К силовым транзисторам противофазно подключены через диодно-емкостные цепи управляющие обмотки коммутирующего трансформатора, при этом параллельно обмотке обратной связи коммутирующего трансформатора подключен задерживающий конденсатор, между точкой соединения конденсаторов емкостного делителя и точкой соединения силовых транзисторов установлен дополнительный формирующий конденсатор, а в коллекторные цепи силовых транзисторов дополнительно включены разделительные диоды. Нагрузку подключают через токоограничивающий дроссель. 3 ил.

Полумостовой автогенератор, содержащий сетевой выпрямитель, соединенный своими выводами со входами емкостного делителя, а также с плюсовой и минусовой шиной питания, одна из которых соединена с коллектором одного силового транзистора, другая - с эмиттером второго силового транзистора, коммутирующий трансформатор с одной обмоткой обратной связи и двумя идентичными управляющими обмотками, соединенный одними выводами с базами силовых транзисторов, а другими выводами - с эмиттерами силовых транзисторов, токоограничивающий дроссель, соединенный одним выводом с точкой соединения силовых транзисторов, а другим - с нагрузкой, которая соединена со средней точкой емкостного делителя, отличающийся тем, что к силовым транзисторам противофазно подключены через диодно-емкостные цепи управляющие обмотки коммутирующего трансформатора, при этом параллельно обмотке обратной связи коммутирующего трансформатора подключен задерживающий конденсатор, между точкой соединения конденсаторов емкостного делителя и точкой соединения силовых транзисторов установлен дополнительный формирующий конденсатор, а в коллекторные цепи силовых транзисторов дополнительно включены разделительные диоды.