ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2006 года по МПК H02M7/5387 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным инверторам, и может быть использовано в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от сотен ватт до десятков киловатт, например, в электросварочных аппаратах инверторного типа, однофазных плазмотронах, электронных стабилизаторах напряжения т.п.

Известны транзисторные однофазные мостовые инверторы, содержащие в силовой цепи транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к сетевому выпрямителю, а диагональю переменного тока к нагрузке [1, 2].

Для устранения постоянной составляющей в диагонали нагрузки последовательно с нагрузкой включают конденсатор [3]. Однако в большинстве случаев нагрузкой транзисторного моста является первичная обмотка трансформатора. То есть нагрузка носит активно-индуктивный характер, что может вызвать резонанс напряжений в последовательной L-С цепи. Чтобы устранить вызванные резонансом перенапряжения в [4] предложено снабдить трансформатор дополнительной обмоткой, включенной в первичную обмотку, а указанную дополнительную обмотку включить в диагональ переменного тока обратного диодного моста, не связанного с одноименной диагональю транзисторного моста, причем диагональ постоянного тока обратного диодного моста через транзисторный ключ подключить параллельно одноименной диагонали транзисторного моста.

Данное устройство является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что технически трудно обеспечить идеальную магнитную связь между первичной и дополнительной обмотками трансформатора, а следовательно, невозможно полностью устранить перенапряжения. Кроме того, наличие дополнительной обмотки несколько усложняет конструкцию трансформатора.

Схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит транзисторный мост 1, 2, 3, 4, подключенный диагональю постоянного тока к выходу сетевого выпрямителя (для простоты сетевой выпрямитель на фиг.1 не показан), а диагональю переменного тока к первичной обмотке трансформатора 5 через включенный последовательно с этой обмоткой конденсатор 6. Вторичная обмотка 7 трансформатора питает нагрузку 8, содержащую обычно выпрямитель, сглаживающий дроссель и собственно нагрузку, которые для простоты на фиг.1 не показаны. Трансформатор снабжен также дополнительной обмоткой 9, включенной в диагональ переменного тока обратного диодного моста 10, 11, 12, 13, который диагональю постоянного тока подключен общими катодами к плюсу сетевого выпрямителя, а общими анодами к эмиттеру (истоку) транзисторного ключа 14, коллектор (сток) которого соединен с минусом сетевого выпрямителя. Система управления упомянутым транзисторным ключом 14 представляет собой логическую схему «И» в составе двух светодиодов 15, 16, соединенных согласно последовательно и подключенных в проводящем направлении каждый через свой токоограничивающий резистор 17, 18 к сетевому выпрямителю, причем общая точка упомянутых светодиодов 15, 16 связана с одной из вершин в диагонали переменного тока транзисторного моста 1, 2, 3, 4. Светодиоды 15, 16 образуют с одноименными фотодиодами 15, 16 две оптронных пары, выполняющие логическую функцию «И», при этом фотодиоды 15, 16 соединены между собой согласно-последовательно и подключены в непроводящем направлении свободным анодом к плюсу управляющего входа транзисторного ключа 14, а свободным катодом к общей точке делителя напряжения из двух последовательно соединенных резисторов 19, 20, свободными концами включенных между общими анодами обратного диодного моста 10, 11, 12, 13 и минусом сетевого выпрямителя. Кроме перечисленного, схема содержит типовую систему управления 21 инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции.

Технический результат - устранение резонансных перенапряжений и упрощение трансформатора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем однофазный мостовой транзисторный инвертор в составе транзисторного моста, обратного диодного моста, трансформатора, первичная обмотка которого последовательно с конденсатором включена в диагональ переменного тока транзисторного моста, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой транзисторного ключа, управляемого оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар, которые двумя своими светодиодами, соединенными согласно-последовательно, подключены через свои токоограничивающие резисторы к сетевому выпрямителю в проводящем ток направлении, а общей точкой подключены к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, двумя одноименными фотодиодами, также соединенными согласно-последовательно, но в непроводящем направлении, связаны свободным анодом с положительным выводом управляющего входа транзисторного ключа, отрицательный вывод которого подключен к минусу сетевого выпрямителя, а также содержащем типовую систему управления инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции. Упомянутый транзисторный ключ выполнен униполярным и включен между точкой соединения конденсатора с первичной обмоткой трансформатора и обшей точкой двух дополнительных обратных диодов, не связанных с диагональю переменного тока транзисторного моста. Это позволило исключить резонансные перенапряжения на конденсаторе и трансформаторе мостового транзисторного инвертора, а также убрать дополнительную обмотку трансформатора, что упростило его конструкцию.

Сущность изобретения поясняется на фиг.2, на которой представлена схема однофазного мостового транзисторного инвертора, и на фиг.3, на которой представлен униполярный транзисторный ключ.

Устройство (фиг.2) содержит транзисторный мост 1, 2, 3, 4, обратный диодный мост 5, 6, 7, 8, трансформатор с первичной обмоткой 9 и вторичной обмоткой 10. Первичная обмотка 9 соединена последовательно с конденсатором 11, а свободными концами первичная обмотка 9 и конденсатор 11 включены в диагональ переменного тока транзисторного моста 1, 2, 3, 4. Вторичная обмотка 10 подключена к нагрузке 12. Устройство содержит также униполярный транзисторный ключ 13, полная схема которого приведена на фиг.3 и описана ниже. Униполярный транзисторный ключ 13 управляется оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар 14 и 15. Светодиоды этих пар соединены согласно-последовательно и подключены в проводящем ток направлении через свои токоограничивающие резисторы 16, 17 к сетевому выпрямителю. Общая точка светодиодов подключена к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста. На фиг.2 эта вершина связана с конденсатором 11, однако в принципе возможно подключение и к противоположной вершине, связанной с первичной обмоткой 9 трансформатора. Одноименные фотодиоды оптоэлектронных пар 14, 15 также соединены согласно-последовательно, но в непроводящем направлении по отношению к сетевому выпрямителю и связаны свободным катодом через токоограничивающий резистор 18 с плюсом сетевого выпрямителя, а свободным анодом с плюсовым выводом управляющего входа униполярного транзисторного ключа 13, минусовой вывод которого объединен с минусом сетевого выпрямителя. Транзисторный ключ 13 выполнен униполярным (см. фиг.3) и включен между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора и между общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20, кроме того, устройство содержит типовую систему управления инвертором (21), выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции и соединенную своими четырьмя выводами, по числу транзисторов моста, с соответствующими управляющими входами этих транзисторов 1, 2, 3, 4.

Униполярный транзисторный ключ 13 (фиг.3) содержит фототранзистор 22, коллекторная цепь которого включена в диагональ постоянного тока диодного моста 23, 24, 25, 26 эмиттером к общим анодам диодного моста, а коллектором к общим катодам. Диагональ переменного тока диодного моста 23, 24, 25, 26 включена между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора (фиг.2 и 3) и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20. Управляющим входом униполярного ключа является светодиод фототранзистора 22, связанный анодом с анодом фотодиода оптоэлектронной пары (фиг.2 и 3), а катодом с минусом сетевого выпрямителя.

Устройство функционирует следующим образом. Диагональные пары транзисторов инвертора 1-4 и 2-3 включаются поочередно, а продолжительность их включения и выключенного состояния, то есть широтно-импульсная модуляция задается системой управления 21. Когда включена одна из диагональных пар, например 1-4, транзистор 1 шунтирует цепь светодиода оптопары 14, поэтому фотодиод этой оптопары ток не проводит. Соответственно сигнал на управляющем входе транзисторного ключа 13 равен нулю и транзистор, представленный на фиг.2 символически в виде контакта, заперт (контакт разомкнут). На фиг.3 представлена полная схема униполярного транзисторного ключа 13. Из рассмотрения этой схемы ясно, что если фотодиод оптоэлектронной пары 14 ток не проводит, то светодиод 22 одноименного фототранзистора не «светится» и фототранзистор заперт. Соответственно заперт и диодный мост 23, 24, 25, 26. Ток между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора (см. фиг.2 и 3) и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20 проходить ни в одном направлении не может. Аналогичная ситуация возникает и при включении другой диагональной пары 2-3 транзисторов: шунтируется транзистором 2 светодиод оптоэлектронной пары 15, не проводит ток одноименный фотодиод, не светится фотодиод фототранзистора 22, заперт диодный мост 23, 24, 25, 26. Только во время паузы при переключении диагональных пар транзисторов 1-4 и 2-3 оба транзистора 1 и 2 разных диагональных пар оказываются запертыми, соответственно, оба светодиода оптоэлектронных пар 14 и 15 «светятся» - проводят ток фотодиоды обеих оптоэлектронных пар, светится «светодиод» 22 одноименного фототранзистора, отперт диодный мост 23, 24, 25, 26, замкнута цепь между точкой соединения конденсатора 11 с обмоткой 9 трансформатора и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20. Если при этом напряжение на обкладках конденсатора 11, либо выводах первичной обмотки 9 трансформатора превышает напряжение питания инвертора, то есть напряжение сетевого выпрямителя, происходит разряд конденсатора 11 до уровня напряжения сетевого выпрямителя, либо разряд избыточной электромагнитной энергии первичной обмотки 9 трансформатора, либо эти процессы идут одновременно, а униполярность транзисторного ключа (фиг.2) 22-26 (на фиг.3) обеспечивает протекание тока разряда в двух направлениях.

Необходимо отметить, что схема фиг.3 представляет частный случай реализации униполярного транзисторного ключа, то есть один из возможных вариантов и предметом изобретения не является.

Униполярный ключ, например, можно реализовать на двух встречно-параллельно соединенных транзисторах.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет просто и эффективно снимать резонансные перенапряжения в однофазных мостовых инверторах с конденсатором в цепи первичной обмотки трансформатора и одновременно избавиться от дополнительной обмотки, усложняющей конструкцию трансформатора. Технический результат достигнут.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. «AI - Технотрон» - Россия. Проспект фирмы, 1995 г.

2. «Invertec V - 130 - S - Linkoln» - США, каталог 1998-99 г.

3. В.А.Прянишников. Электроника. С.Петербург, «Корона принт», 1998. - 400 с.

4. Однофазный мостовой транзисторный инвертор. Пат. №2216093 опубликован 10.11.2003. БИ №31, авторы Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г., Шингаров В.П.

Предложен однофазный мостовой транзисторный инвертор с трансформаторной нагрузкой и конденсатором, включенным последовательно с первичной обмоткой трансформатора в диагональ переменного тока транзисторного моста, шунтированного обратным диодным мостом. Особенность заключается в том, что для достижения технического результата - защиты от резонансных перенапряжений в цепи, содержащей индуктивность и конденсатор - применен униполярный транзисторный ключ, включенный между точкой соединения первичной обмотки трансформатора с конденсатором и общей точкой двух дополнительных обратных диодов, не связанных с диагональю переменного тока, транзисторного моста. Униполярный ключ управляется логической схемой «И» оптоэлектронного типа, обеспечивающей контроль энертного состояния транзисторного моста. 3 ил.

Однофазный мостовой транзисторный инвертор в составе транзисторного моста, обратного диодного моста, трансформатора, первичная обмотка которого последовательно с конденсатором включена в диагональ переменного тока транзисторного моста, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой, транзисторного ключа, управляемого оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар, которые своими светодиодами, соединенными согласно-последовательно, подключены через свои токоограничивающие резисторы к сетевому выпрямителю в проводящем ток направлении, а общей точкой подключены к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, двумя одноименными фотодиодами, также соединенными согласно-последовательно, но в непроводящем направлении, связаны свободным анодом с положительным выводом управляющего входа транзисторного ключа, отрицательный вывод которого подключен к "минусу" сетевого выпрямителя, также содержащий типовую систему управления инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции, отличающийся тем, что упомянутый транзисторный ключ выполнен униполярным и включен между точкой соединения конденсатора с первичной обмоткой трансформатора и общей точкой двух дополнительных обратных диодов, не связанных с диагональю переменного тока транзисторного моста.