Магнитный мультивибратор Советский патент 1986 года по МПК H03K3/30 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для ис- польз1:)вания в устройствах измерительной и вычислительной техники и электроавтоматики в качестве маломощных устройств электропитания, задащих генераторов повышенной частоты, устройств- возбуждения мощных преобразователей напряжения. .Цель изобретения - повышение КПД мультивибратора путем исключения непрерывного рассеяния мощности силовой цепи на элементах схемы автозащиты от перегрузок.

На фиг. приведена электрическая схема магнитного мультивибратора; на фиг. 2 - подключение третьей пары обмоток трансформатора тока; на фиг. 3 и 4 - диаграммы процессов в обоих вариантах мультивибратора.

Магнитный мультивибратор (фиг. 1) содержит пару переключающих транзисторов 1 и 2j пару тиристоров 3 и 4, силовой трансформатор с насыщающимся магнитоприводом 5 и трансформатор на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса 6, через первичные обмотки которого 7 и 8 коллекторы переклю чаюпц х транзисторов 1 к 2 подключены к первичным обмоткам 9 и 10 силового трансформатора 5, вторичные обмотки которого 11 и 12 через первые то- коограничивающие резисторы 13 и 14 и вторые токоограничивающие резисто- .ры 15.и 16 подключены к базовым вы- водам переключающих транзисторов 1 и 2,а точки соединения первых и вторых токоограничивающих резисторов , подключены к анодам тиристоров 3 и 4 к .управляющим входам которых подключены, соответственно, шунтирующие их резисторы 17 и 18 и вторичные обмотки 19 и 20 трансформатора 6.

I

Во втором варианте мультивибратора (фиг. 2) в трансформаторе 6 дополнительно введена дополнительная пара обмоток 21 и 22, включенных, соответственно, между базами переключающих транзисторов 1 и 2 и вторыми токоограничивающими резисторами 15 и 16.

Работа магнитного мультивибратора являющегося релаксационным генератором с одним индуктивным накопителем энергии, распадается на два этапа.

iia мед.пенном этапе работы один из переключающих тра}1зисторов, например I, открыт, другой - соответственно

2 - закрыт .Основным npoii.KCC.oM на этом этапе является накопление энергии магнитного поля в индуктивности Lp первичной обмотки силового тр ансформатора 5 и перемагничивание его сердечника под воздействием питающего напряжения Е, приложенного через открытый переключающий транзистор 1 к первичной обмотке 9. Ток через тран- зистор 1 (ikl) содержит приведенную к первичной обмотке составляющую тока нагрузки ij и увеличивающуюся по амплитуде вторую составляющую тока IL , определяемую индуктивностью об5 мотки 9 трансформатора 5 в реишме перемагничивания. магнитопровода последнего на крутом участке характеристики (см. фиг. 3). Указанный ток (ii,.|) выбирается ниже стартового зна0 чения сердечника трансформатора, поэтому магнитопровод последнего находится в состоянии предыдущего на- - магничивания и напряжения на его обмотках отсутствуют. Развиваемое при

этом напряжение на обмотке 11 трансформатора 5 через токоограничивающие резистор 13 и 15 обеспечивает фиксирование значений тока на базу переключающего транзистора, удержи0 ваемого этим в насьпценном состоянии. Б варианте мультивибратора.(фиг. 2) пропусканием .фиксированного тока базовой цепи транзистором 1 по обмотке 2 трансформатора 6 в его сердечнике

5 создается удерживающее магнитное поле (см. фиг. 4), встречное поле силовой цепи. Благодаря этому в трансформаторе 6 могут быть использованы сердечники с низкими значениями коэрцн0 тивного тока ( и стартового у либо один и тот же сердечник может быть использован в мультивибраторах различной мощности при соответствующем изменении величины удерживающего поля вы5 бором витков обмоток третьей пары. Использование тока базовой цепи пере- ключаюощх транзисторов для создания удерживающего магнитного поля возможно благодаря фиксированному значению

50 этого тока, независимому от тока нагрузки и определяемому напряжением питания мультивибратора, постоянством трансформации этого напряжения в базовую обмотку силового трансфор55 матора и постоянством величины сопротивления токоограничиваюших резисторов в базовой цепи, а также благодаря синхронному изменению полярное-

3

тй напряжения базовых обмоток, вызывающего этот ток, при переключении плеч мультивибратора.

Медленный этап работы мультивибртора продолжается в общем случае до тех пор, пока коллекторный ток переключающего транзистора не достигает некоторой величины ограничения, определяемой схемой и равной либо произведению базового тока транзистора на коэффициент его усиления, либо заданной активным сопротивлением силовой цепи. Последний вариант применяется для устройств незначительной мощности, а ограничение силового тока усилительными свойствами транзисторов приводит при использовании линейных силовых трансформаторов к зн .чительным перегрузкам транзисторов при приближении к моменту ограничения тока в схеме, в этом случае так значительно изменяется величина это тока при вариациях коэффициента усилений транзисторов от температуры окружающей среды и др., что приводи к значительным изменениям длительности полупериодов генерируемых колебаний. Кроме того, указанные процессы имеют сильную зависимость от величины тока нагрузки. В связи с этим преимущественно используются силовые трансформаторы с насыщающимся магнитопроводом, при этом период генерируемых колебаний практически определяется лишь вольтсекундной емкостью первичной обмотки и величиной питающего напряжения, а быстрый этап работы мультивибратора, в течение которого протекают процессы переключения плеч последнего, практически начинается с момента резкого возрастания коллекторного тока при насьще- ниИ сердечника трансформатора.

Процессы медленного этапа работы мультивибратора заканчиваются при - достижении магнитопроводом силового трансформатора 5 насыщенного состояния - перехода магнитопровода с крутого участка своей характеристики намагничивания на пологий участок, на котором индуктивность коллекторной обмотки резко уменьшается (до индуктивности насыщения L, соизмеримой по величине с индуктивностью LP рассеяния обмотки) и, соответст- венно, резко возрастает скорость нарастания коллекторного тока (момент

t,, на диаграммах фиг. 3 и

4). С

15

5, О-ео

момента в схеме начинаются процессы быстрого этапа работы, завершающегося переключением плеч мультивибратора. С началом этого этапа нарастание коллекторного тока открытого переключающего транзистора I происходит, за счет увеличения скорости нарастания индуктивной составляющей тока - составляющая ii, переходит в составляющую i(), скорость нарастания которой обеспечивает быстрое достижение стартового значения тока (iстарт

25

30

50

5S

сердечника трансформатора 6, после чего -начинается перемагничивание последнего , а развиваемое на вторичной обмотке - напряжение вызывает в цепи управляющего электрода тиристора 3 ток, приводящий к его включению с некоторой з-адержкой, определяемой 20 характеристиками тиристора, относительно момента t, . Открытый тиристор шунтирует вход управляющей цепи переключающего транзистора 1, обеспечивая этим резкое, скачкообразное уменьшение базового тока последнего - остаточное значение тока снижается до величины, определяемой сопротивлением второго токоограничитёльного ре- : зистора 15 и разностью напряжений насьш1ения открытого тиристора и порогового значения базо-эмиттерного перехода переключающего транзистора. При этом, кроме того, возрастает ток . силовой цепи за счет увеличения тока, JJ. отбираемого с обмотки 11 (см. фиг.З). В соответствии с диаграммами фиг. 4, штлюстрирукшщми процессы во втором варианте мультивибратора, на этом временном интервале за счет снятия 40 удерживающего магнитного поля форсируется Перемагничивание сердечника трансформатора 6 и соответственно возрастает ток в цепи управляющего электрода тиристора 3, Однако, не- 45 смотря на резкое уменьшение базового тока транзистора 1, в его базовой области сохраняется высокая концентрация неосновных носителей в связи с практически применяемым режимом бокого насьщ;ения транзисторов, поэтому и его коллекторный ток будет продолжать нарастать соответственно росту индуктивной составляющей i(),

в момент t завершается перемагничивание сердечника трансформатора 6 при продожлжающемся нарастании .коллекторного тока трансформатора 1 .

В момент t в связи с обеднением неосновными носителями базовой области переключающего транзистора V и связанным с этим возрастанием сопротивления его коллекторной цепи, ток транзистора достигает экстремума и затем начинает уменьшаться, приводя з момент экстремума к изменению полярности на базовых обмотках. 1 и 12 силового трансформатора. Благодаря этому изменившее полярность .напряжение на обмотке 11 становится запирающим и форсирует дорассасывание базовой области транзистора 1 , а. также приводит к вычислению тиристора 3; напряжение с обмотки 12 открывает второе плечо мультивибратора: - переключающий транзистор 2 - в момент времени t, В зависимости от частотных свойств выбранных переключающих транзисторов в интервале от t/ до t может наблюдаться режим сквозного тока, ограниченного по величине значениями индуктивностей рассб .яния в каждом из плеч.

При отсутствии тока нагрз зки (либо при его уменьшенном значении) процессы при переключении плеч происходят аналогичным образом, с тем лишь отличием, что интервал времени , существенно возрастает - на диаграмме тока , (фиг, 3) этот случай показан штрих-пунктирной линией, диаграммы процессов в мультивибраторе по второму варианту приведены раздельно для случаев (фиг, 4а) и i 0 (фиг, 4б) и изображены в одинаковом масштабе времени,

В режиме короткого замыкания цепи нагрузки (что равноценно шунтировани эквивалентных индуктивностей L и, соответственно, Lg-первичных обмоток силового трансформатора индуктивностью рассеяния обмотки нагрузки) происходит аварийное переключение плеч мультивибратора,, при этом процессы в схеме при протяженном во времени сохранении зтого режима ограничиваются лишь чередующимися (в соответствии с переключениями пх(еч) быстрыми этапами работы мультивибратора, функцию токоограничительного элемента в коллекторной цепи открытого транзистора выполняет в этом случае индуктивность рассеяния первичной обмотки силового трансформатора - . мультивибратор переходит в режим ге0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нерации высокой частоты. Положительная обратная , поддерживающая режим автогенерации, обеспечивается благодаря взаим 5связи между коллекторными и базовыми обмотками, зашун- тированной указанной индуктивностью рассеяни. Таким образом формируется делитель напряжения из последовательно соединенных индуктивности рассеяния коллекторной обмотки Lp и при- веденн:ой к базовой обмотке индуктивности рассеяния обмотки нагрузки Lp,,,, напряжение с последней через индуктивность рассеяния базовой обмотки и токоограничительпые резисторы обеспечивает ток в базовый переход транзистора. Этот режим, наиболее тяжелый для работы мультивибиратора, позволяет выбрать соотношения между парамет-. рами элементов схемы автозащиты, обеспечивающими функционирование мультивибратора во всех релсимах,

В итоге, в схеме автозациты мультивибратора обеспечивается импульсный характер отрицательной обратной связи по току переключающих транзисторов. Переключение сердечника с прямоугольной петлей гестерезиса, на которС М выполнен трансформатор 6, происходит по полному циклз до момента завершения переключения плеч мультивибратора; при этом указанный трансформатор благодаря его выполнению на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса выполняет функции датчика тока, силовой цепи и порогового : элемента,, определяющего момент перегрузки, и не рассеивает мощности, благодаря чему достигается oci-говная цель данного технического решения, повьшгение КПД устройства. Введением дополнительных обмоток в трансформа- . торе 6 форсируется перемагничивание сердечника трансформатора, что сокра- га.ает время его перемагничивания д.. кроме того, расширяет возможность технической регьлизации предлагаемых устройств при ограниченной номенклатуре сердечников с прямоугольной петлей гистерезиса,

- Таким образом, магнитньш мультивибратор цо сравнению с известным имеет более высокое значение КПД за счет исключени:я непрерывного рассея- нрдя мощности cvшoвoй цепи ка элементах схемы автозаажты.

7 Формула изобретения

1. Магнитный мультивибратор, содержащий два переключающих транзистора, два управляющих активных элемента, силовой трансформатор и трансформатор тока, через соответствующие первичные обмотки которого коллекторы переключающих транзисторов подсоединены к первым выводам первичных обмоток силового трансформатора, вторичные обмотки которого через соответствующие токоограничивающие резисторы подсоединены к базо-эмиттерным цепям переключаюищх транзисторов и выходным электродам управляющих активных элементов, параллельно входам которых подсоединены параллельно соединенные соответствующие резисторы и вторичные обмотки трансформатора тока, вторые выводы первичных обмоток силового трансформатора подсоединены к шине питания, эмиттеры переключающих транзисторов подсоединены

А Ww I .-Л

8

к общей шине, отличающий- с я тем, что, с целью повьипения КПД путем исключения непрерывного рассеяния мощности силовой цепи на эле- 5 ментах схемы автозащиты от перегрузок, трансформатор тока вьтолнен на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, в качестве yпpaвляющIix активных элементов использованы ти- 10 ристоры, а между базами переключающи транзисторов и общими выводами соответствующих тиристоров и первых токоограничивающих резисторов допол- нителёно подсоединены вторые токоог- 15 раничивающие резисторы. I.

2, Мультивибратор по п, I, о т - л.ичающийся тем, что трансформатор тока содержит дополнитель- 20 но вторую пару вторичных обмоток, которые включены в соответствующие цепи баз переключающих транзисторов последовательно с вторыми токоограничиваю- щими резисторами.

(.2

tpat.S

a nepff atH.

Фиг. If

Изобретение относится к импульсной технике. Может быть использовано в устройствах измерительной и вычислительной техники в качестве маломощных устройств электропитания, задающих генераторов повьшшнной частоты, устройств возбуждения мощных преобразователей напряжения. Цель изобретения - повышения КПД мультивибратора - достигается путем исключения непрерывного рассеяния мощности сило- вой цепи на элементах схемы автозащиLA,AjLAysJ ты от перегрузок, Для достижения поставленной цели трансформатор (т) тока выполнен на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, в качестве управляемых активных элементов использованы тиристоры, а между базами переключающих транзисторов и общими выводами соответствующих тиристоров и первых токоограничивающих резисторов дополнительно подсоединены вторые токоограничивающие резисторы. На чертеже показаны: переключающие транзисторы 1 и 2, тиристоты 3 и 4, силовой Т с насьш;ающимся магнитопро- ; водом 5 и обмотками 9 и 10, Т тока на сердечнике 6 с прямоугольной пет- лей гистерезиса, имеющий обмотки 17 и 18, 19 и 20, резисторы 13-16. В описании изобретения приводится второй вариант выполнения мультивибратора, у которого Т тока содержит дополнительно вторую пару вторичных обмоток. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. с & (Л