СХЕМА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИЗ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/5383 

Область техники

Изобретение относится к схемам для генерации переменного напряжения из постоянного напряжения. При этом, в частности, речь идет об автоколебательных инверторах. Предпочтительной областью применения подобных инверторов являются технические приборы для эксплуатации газоразрядных ламп.

Полученное переменное напряжение вызывает в подключенной нагрузке переменный ток. Также питающее постоянное напряжение поставляет постоянный ток. Тем самым изобретение по аналогии с вышеназванным высказыванием относится также к схемам для получения переменного тока из постоянного тока. Без ограничения общего характера в последующем описывается только еще переменное напряжение и постоянное напряжение.

Уровень техники

В качестве схемы для генерации переменного напряжения из постоянного напряжения, называемой в последующем также инвертором, известны полумостовые и полные мостовые схемы. В частности, для эксплуатации газоразрядных ламп применяются полумостовые схемы.

Полумост содержит два включенных последовательно электронных переключателя, которые попеременно включаются и выключаются. Управление этими электронными переключателями происходит или из схемы управления, или из подключенной цепи нагрузки. В названном последнем случае полумост сам производит управление электронными переключателями через средства обратной связи, поэтому подобная схема называется автоколебательным полумостом. Для экономичной реализации инвертора в уровне техники применяют автоколебательный полумост с биполярными транзисторами. За счет этого экономится схема управления и становится возможным использование выгодных с точки зрения затрат биполярных транзисторов.

В документе US 5563777 (Miki) описаны различные формы выполнения автоколебательных полумостов. В качестве средств обратной связи используется трансформатор, первичная сторона которого расположена в цепи нагрузки, и вторичная сторона которого обеспечивает управление электронными переключателями.

В общем, электронный переключатель имеет два рабочих контакта и один управляющий контакт. Между рабочими контактами может определяться рабочее сопротивление, а между рабочим контактом и управляющим контактом может определяться регулировочное сопротивление. В биполярном транзисторе в полумостовой схеме эмиттер и коллектор образуют рабочие контакты, а база - управляющий контакт. Регулировочное сопротивление лежит между базой и эмиттером. В случае МОП-транзистора в полумостовой схеме исток и сток образуют рабочие контакты, а затвор - управляющий контакт. Регулировочное сопротивление лежит между затвором и истоком.

Документ US 5563777 (Miki) показывает несколько примеров выполнения для трансформатора. Во-первых, трансформатор может быть выполнен как отдельный трансформатор, который служит только в качестве средства обратной связи. Этот трансформатор может быть выполнен насыщающимся и ненасыщающимся. Во-вторых, трансформатор может быть образован из индуктивности цепи нагрузки, на которую наносятся вторичные обмотки. Индуктивность цепи нагрузки тогда образует первичную обмотку трансформатора. Эта индуктивность может использоваться при применениях для эксплуатации газоразрядных ламп в качестве так называемого лампового дросселя. В других применениях она может использоваться, например, для обеспечения возможности квазирезонансного режима. Так же как в вышеназванном отдельном трансформаторе, трансформатор, который содержит индуктивность, может быть выполнен насыщающимся и ненасыщающимся.

Все известные из уровня техники формы выполнения содержат вторичные обмотки, которые включены параллельно к регулировочному сопротивлению.

Формы выполнения из уровня техники имеют следующие недостатки. Формы выполнения с ненасыщающимся трансформатором имеют частично высокие потери на коммутацию, поскольку не всегда обеспечено включение электронных переключателей без напряжения. Кроме того, появляются частично высокие потери на управление, поскольку базовые токи электронных переключателей могут принимать высокие значения.

Формы выполнения с насыщающимся трансформатором имеют высокие потери трансформатора вследствие его сильного возбуждения. К тому же свойства насыщения подвержены большим разбросам значений по экземплярам. Это обуславливает сложный способ сортировки при выборе трансформатора в массовом производстве.

Представление изобретения

Задачей настоящего изобретения является предоставление в распоряжение схемы для генерации переменного напряжения из постоянного напряжения, которая осуществляет автоколебания с трансформатором выгодно с точки зрения расходов и с малыми потерями. В качестве выгодного с точки зрения расходов решение может считаться тогда, когда оно не требует компонентов, влекущих за собой высокие допуски.

Эта задача решается с помощью схемы для генерации переменного напряжения из постоянного напряжения, которая в качестве средств обратной связи содержит трансформатор с по крайней мере одной вторичной обмоткой, которая включена последовательно к рабочему сопротивлению электронного переключателя.

Управляющий контакт включен так, что регулировочное сопротивление электронного переключателя и вторичная обмотка расположены в одной цепи.

Вторичная обмотка не включена, как в уровне техники, параллельно к регулировочному сопротивлению. Более того, электронный переключатель управляется смещением уровня напряжения рабочего контакта. В интервалы времени, в которых электронный переключатель включен, ток нагрузки течет через вторичную обмотку. Тем самым ток нагрузки действует также на управление электронного переключателя.

В полумостовой схеме электронный переключатель включается только, если истекло время запаздывания после выключения другого электронного переключателя. Является общеизвестным, что за счет этого достигается разгрузка при коммутации электронных переключателей. Не всегда обеспечено, что во всех режимах эксплуатации инвертора, как например: сброс нагрузки, короткое замыкание, перегрузка, перенапряжение или пониженное напряжение, время запаздывания имеет оптимальную длину. За счет неоптимального времени запаздывания в электронных переключателях могут появляться пики тока и приводить к повреждению электронных переключателей. Соответствующее изобретению управление электронных переключателей содержит элемент с индуктивным действием, который включен последовательно к рабочему сопротивлению. Если в электронном переключателе появляются пики тока, то их высота предпочтительно уменьшается за счет соответствующего изобретению управления.

Соответствующая изобретению схема образует автоколебательный инвертор, который позволяет иметь низкие потери на управление и коммутацию электронных переключателей без насыщающегося трансформатора.

Краткое описание чертежей

В последующем изобретение должно поясняться более подробно с помощью примеров выполнения со ссылкой на чертежи.

Фиг.1 - пример выполнения соответствующей изобретению схемы.

Фиг.2 - пример выполнения в приближении к Фиг.1 с улучшенным управлением электронных переключателей.

Фиг.3 - пример выполнения в приближении к Фиг.1 с еще более улучшенным управлением электронных переключателей.

В последующем сопротивления обозначаются буквами R, конденсаторы буквами С, транзисторы буквами Т, диоды буквами D, места соединений буквами J соответственно с последующим числом. В последующем также для одинаковых и одинаково действующих элементов различных примеров выполнения применяются везде одинаковые ссылочные позиции.

Предпочтительные формы выполнения изобретения

На Фиг.1 представлен пример выполнения для соответствующего изобретению инвертора.

К первому и второму входу постоянного напряжения J1 и J2 является подключаемым источник постоянного напряжения. В настоящем примере положительный полюс источника постоянного напряжения должен быть подключен к J1 и отрицательный полюс к J2.

Первое последовательное расположение образует последовательную схему из первого электронного переключателя Т1, сопротивления R1 и первой вторичной обмотки L12.

Второе последовательное расположение образует последовательную схему из второго электронного переключателя Т2, сопротивления R2 и второй вторичной обмотки L13.

Оба последовательных расположения включены последовательно и включены между входами постоянного напряжения J1 и J2. При этом оба последовательных расположения образуют полумост. В точке соединения обоих последовательных расположений находится выход переменного напряжения K1. За счет попеременного включения электронных переключателей потенциал выхода переменного напряжения K1 находится попеременно на потенциале J1 и J2.

По причинам расходов электронные переключатели предпочтительно выполнены в виде npn-биполярных транзисторов. Возможными являются также другие электронные переключатели, например pnp-биполярный транзистор, МОП-транзистор или биполярный транзистор с изолированным затвором.

Сопротивления R1 и R2 служат соответственно для обратной связи для Т1 и Т2 с общеизвестным действием. Они могут быть также исключены и заменены коротким замыканием.

Важным для соответствующего изобретению действия вторичных обмоток L12 и L13 является их расположение относительно выводов электронных переключателей. В примере выполнения согласно Фиг.1 вторичная обмотка L12 связана через сопротивление R1 с эмиттером транзистора Т1. Тем самым вторичная обмотка L12 включена последовательно к рабочему сопротивлению транзистора Т1. Эта последовательная схема из рабочего сопротивления транзистора Т1 и вторичной обмотки L12 включена между входом постоянного напряжения J1 и выходом переменного напряжения K1. Далее в примере выполнения согласно Фиг.1 вторичная обмотка L13 связана через сопротивление R2 с эмиттером транзистора Т2. Тем самым вторичная обмотка L13 включена последовательно к рабочему сопротивлению транзистора Т2. Эта последовательная схема из рабочего сопротивления транзистора Т2 и вторичной обмотки L13 включена между входом постоянного напряжения J2 и выходом переменного напряжения K1.

Параллельно к рабочим сопротивлениям транзисторов Т1 и Т2 включен соответственно общеизвестный нулевой диод D1 и D2. Эти диоды могут также быть интегрированы в электронном переключателе или они могут совсем отпадать.

Между выходом переменного напряжения K1 и входом постоянного напряжения J1 включен так называемый конденсатор типа snubber C5. Он уменьшает крутизну фронта напряжения на выходе переменного напряжения K1. C5 может быть также соединен с J12.

Для того чтобы управление электронных переключателей являлось действующим через вторичные обмотки L12, L13, управляющий контакт включен так, что соответствующее регулировочное сопротивление и соответствующая вторичная обмотка расположены в одной цепи. Для этого база транзистора Т1 через сопротивление R11 связана с выходом переменного напряжения K1, а база транзистора Т2 через сопротивление R12 связана с входом постоянного напряжения J2.

Параллельно к регулировочным сопротивлениям транзисторов Т1 и Т2 соответственно включен диод D5, D6 и конденсатор С3, С4. Диоды D5, D6 и конденсаторы С3, С4 не являются обязательно необходимыми для реализации изобретения. Они служат для оптимирования управления электронными переключателями Т1, Т2.

Схема имеет два выхода нагрузки J3 и J4, к которым является подключаемой нагрузка. Потенциал на J4 может пониматься, как опорный потенциал. J4 соединен с входом постоянного напряжения J2. Возможно также соединять J4 с J1 или создавать посредством делителя напряжения желаемый опорный потенциал, с которым соединен J4.

Между выходом переменного напряжения К1 и выходами нагрузки J3, J4 включен контур с реактивным сопротивлением, который преобразует полное сопротивление на выходе переменного напряжения К1 к выходам нагрузки. Он состоит из первичной обмотки L11 и конденсаторов С1 и С2. Первичная обмотка L11 и конденсатор С1 включены последовательно и включены между выходом переменного напряжения К1 и выходом нагрузки J3. Конденсатор С2 включен между выходами нагрузки J3 и J4.

Первичная обмотка L11 взаимосвязана с вторичными обмотками L12 и L13. Таким образом, первичная обмотка L11 и вторичные обмотки L12 и L13 образуют трансформатор. Соответствующее направление обмоток обозначено известным образом точками. Первичная обмотка L11 связана первым выводом с выходом переменного напряжения К1 и вторым выводом с выходом нагрузки J3. Таким образом, первичная обмотка L11 обтекается током нагрузки.

Представительно для любых нагрузок к выходам нагрузки J3 и J4 включено сопротивление нагрузки R3. Контур с реактивным сопротивлением может быть изменен любым образом. Только первичная обмотка должна, как описано выше, обтекаться током нагрузки. Представленный на Фиг.1 контур с реактивным сопротивлением предпочтительно применяется для случая, что для R3 подключают одну или несколько газоразрядных ламп. В этом случае С1 образует блокировочный конденсатор, который препятствует, чтобы напряжение между выходами нагрузки J3 и J4 имело составляющую постоянного напряжения. Первичная обмотка L11 берет на себя в этом случае задачу дросселя лампы и образует вместе с С2 последовательный резонансный контур.

Возможно также, что нагрузка через следующую обмотку связана с трансформатором. При этом может идти речь также о галогенной лампе накаливания.

Полумост может быть также расширен до полного моста. Первичная обмотка L11 тогда включена в плечо моста. Кроме того, трансформатор тогда содержит две следующие вторичные обмотки для адекватного управления обоих следующих электронных переключателей.

На Фиг.2 представлен дальнейший пример выполнения для соответствующего изобретению инвертора. На Фиг.2 по сравнению с Фиг.1 параллельно к сопротивлениям R11 и R12 включена последовательная схема из сопротивления R21 или соответственно R22 и диода D11 или соответственно D22. Тем самым улучшается выключение электронных переключателей Т1 или соответственно Т2.

На Фиг.3 представлен дальнейший пример выполнения для соответствующего изобретению инвертора. По сравнению с Фиг.2 сопротивления R11 и R12 соответственно заменены дросселем L31 или соответственно L32. Далее к диодам D5 и D6 соответственно подключено последовательно сопротивление R31 или соответственно R32. Предпринятые на Фиг.3 по сравнению с Фиг.2 изменения схемы представляют собой дальнейшее улучшение включения и выключения Т1 и Т2. Главным образом, за счет этого уменьшаются потери на коммутацию и моменты времени переключения оптимируются относительно резонансных характеристик цепи нагрузки, состоящей из контура с реактивным сопротивлением и нагрузки. При низкой частоте колебаний инвертора, например 30 кГц, оказалось, что применение диодов Шоттки для D5 и D6 и короткое замыкание сопротивлений R11 и R12 предпочтительно сказывается на мощности потерь инвертора.

По сравнению с Фиг.2 Фиг.3 имеет следующее дальнейшее изменение. Конденсатор С3 и диод D1 подключены не, как на Фиг.2, непосредственно к эмиттеру Т1, а к точке соединения R1 и вторичной обмотки L12. Соответствующим образом изменено также подключение конденсатора С4 и диода D2. Тем самым так называемый нулевой ток больше не течет через сопротивление R1 или соответственно R2, за счет чего эффективность схемы улучшается. Кроме того, за счет этого изменения достигается улучшенная характеристика коммутации электронных переключателей Т1, Т2.

Указанный в последующем выбор параметров для существенных компонентов с Фиг.3 позволяет эксплуатацию двух 36-ваттных люминесцентных ламп при напряжении на входах постоянного напряжения J1, J2 230 вольт:

Сердечник трансформатора: EVD 25

L11: 128 витков

L12: 4 витка

L13: 4 витка

С2: 12 нФ

R1, R2: 1 Ом

L31, L32: 1 мГ

R21, R22: 39 Ом

R31, R32: 4,7 Ом

В результате получается частота колебаний инвертора порядка 50 кГц. При применении биполярных транзисторов является выгодной эксплуатация в диапазоне частот между 20 кГц и 100 кГц.

Предпочтительно схема согласно изобретению используется в электронном техническом приборе для эксплуатации люминесцентных ламп. Дополнительно к схеме согласно изобретению подобный технический прибор для эксплуатации содержит средства для подготовки постоянного напряжения из переменного напряжения сети. Они могут содержать также средства для снижения высших гармоник тока сети. Кроме того, подобный технический прибор для эксплуатации может содержать средства, которые обуславливают регулирование эксплуатационных параметров. Далее подобный технический прибор для эксплуатации может содержать средства, которые обуславливают отключение технического прибора при ненормальных рабочих состояниях. Далее подобный технический прибор эксплуатации может содержать средства, которые являются пригодными для подавления радиопомех.

Изобретение относится к автоколебательной инверторной схеме, предпочтительно с биполярными транзисторами в полумостовой схеме, с трансформатором в качестве средств обратной связи. В противоположность уровню техники вторичные обмотки трансформатора включены не параллельно к участку база-эмиттер, а последовательно к участку коллектор-эмиттер. За счет этого для обратной связи не требуется никакого насыщенного трансформатора. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Схема для генерации переменного напряжения со следующими признаками:

первый и второй вход постоянного напряжения (J1, J1), к которым является подключаемым источник постоянного напряжения,

по крайней мере один выход переменного напряжения (К1),

по крайней мере один выход нагрузки (J3, J4), к которому является подключаемой нагрузка (R3),

по крайней мере один электронный переключатель (T1, T2) с двумя рабочими контактами и одним управляющим контактом, за счет чего между рабочими контактами определяют рабочее сопротивление и между управляющим контактом и рабочим контактом определяют регулировочное сопротивление,

один рабочий контакт связан с одним входом постоянного напряжения (J1, J1), а второй рабочий контакт с выходом переменного напряжения (К1),

трансформатор с одной первичной (L11) и по крайней мере одной вторичной обмоткой (L12, L13), причем первый вывод первичной обмотки связан с выходом переменного напряжения (К1), а второй вывод первичной обмотки связан с выходом нагрузки (J3), при этом

вторичная обмотка (L12, L13) и рабочее сопротивление образуют последовательную схему, которая включена между входом постоянного напряжения (J1, J1) и выходом переменного напряжения (К1),

управляющий контакт включен так, что регулировочное сопротивление и вторичная обмотка (L12, L13) расположены в одном контуре, схема содержит два электронных переключателя (T1, T2), которые расположены в полумостовой схеме, рабочие сопротивления обоих электронных переключателей (T1, T2) соответственно включены последовательно к вторичной обмотке (L12, L13), отличающаяся тем, что регулировочные сопротивления электронных переключателей (T1, T2) и вторичные обмотки (L12, L13) соединены в контур соответственно через дроссель (L31, L32).