Транзисторный ключ Советский патент 1989 года по МПК H03K17/60 H02M3/335 

4

00

Изобретение относится к электротехнике, а именно к транзисторным ключам, предназначенным для коммутации силовой нагрузки, например, индуктивного характера.

Цель изобретения - повышение КПД транзисторного ключа и повышение надежности его работы при любых величинах нагрузки - от минимальной до мак- симапьной.

На фиг.1 приведена схема транзисторного ключа; на фиг.2 - выключающая цепь, пример выполнения.

Транзисторный ключ (фиг.1) содер- жит силовой транзистор 1, в коллекторную цепь которого включены первичная обмотка 2 трансформатора 3 тока, выходной трансформатор и источник питания Е„. Параллельно коллектору и

эмиттеру транзистора 1 подключена демпфирующая цепь 4, служащая для формирования области безопасной работы этого транзистора. База силового транзистора соединена с эмиттером включающего транзистора 5, через защитный диод 6 - с общим полюсом источника питания Е п и с концом выключающей обмотки 7 трансформатора 3 тока, начало которой через выключающий диод 8 подключено к коллектору выключающего транзистора 9. Коллектор включающего транзистора 5 через пусковой резистор 10 соединен с потенциальным полюсом +Е п источника пита- ния и через диод 11 с началом включающей обмотки 2 трансформатора 3 тока, конец которой подключен к эмиттеру выключающего транзистора 9, эмиттеру силового транзистора 1 и общему полюсу источника питания Еп. К началу включающей обмотки 2 трансформатора 3 и эмиттеру транзистора 1 подключена цепь размагничивания трансформатора 3 тока, состоящая из резнетора 12 и диода 3. Коллектор включающего транзистора 5 соединен также с первым выводом последовательной RC-цепи 14, состоящей из ограничивающего резистора 15 и накопительного конденсатора 16, второй вывод которой соединен с эмиттером транзистора 1 .

КС-цепь 14 может быть выполнена следующим образом (фиг.2).

Последовательно с резистором 15 и конденсатором 16 включена параллельная цепь, состоящая из двух ветвей: диодов 17 и 18 и резисторов 19 и 20,

Q

5

0

5 0 $ 0 5 „

г

включенных между собой последовательно.

Транзисторный ключ (фиг.1) работает следующим образом.

Рассмотрим пусковой режим схемы при начальном включении напряжения Еп. Предположим, что до момента времени появления Е„ на схему подаются импульсы синхронизации U Вкл и U В11КЛ . После подачи Е л начинает заряжаться конденсатор 16 цепи 14. Несмотря на то, что импульсы U 8кл открывают включающий транзистор 5, напряжения на цепи 14 недостаточно для открывания силового транзистора 1 и на подхватывание положительной обратной связи обмоток трансформатора 3 тока. .Величина пускового резистора 10 достаточно велика, чтобы не ухудшать в значительной степени энергетическую эффективность транзисторного ключа. По прошествии времени, определяемого постоянной времени цепи конденсатора 16 и резисторов 10 и 15, напряжение на конденсаторе 16, а следовательно, и на цепи 14 становится достаточным для открывания силового транзистора 1 при открытом включающем транзисторе 5. Конденсатор 16 начинает разряжаться .

Транзистор 1 входит в линейный режим, и включается в действие положительная обратная связь трансформатора 3 тока. Транзистор 1 полностью открывается и входит в насыщение. Далее он остается в этом положении в течение времени, пока открыт включающий транзистор 5.

После запирания транзистора 5 разряд конденсатора 16 цепи 14 прекращается. Транзистор 1 остается открытым и насыщенным в силу инерционности рассасывания избыточных зарядов из его полупроводниковой структуры. Одновременно из-за появления сигнала U е(|КЛ включается выключающий транзистор 9, подключающий обмотку 7 к базе силового транзистора 1 и подающий в нее ток обратной полярности (рассасывающий ток). Начинается этап расса- сыв ания з аря до в.

В это же время при условии, что число витков обмотки 7 больше числа витков обмотки 2, т.е. когда величина рассасывающего тока больше величины ранее существовавшего прямого тока (это выполняется на практике при использовании высоковольтных и достаточно инерционных транзисторов), конденсатор 16 цепи 14 начинает заряжаться от обмотки 2, напряжение на нем начинает увеличиваться на этапе рассасывания зарядов. ,

Ток заряда конденсатора 16 определяется соотношением чисел витков обмоток трансформатора 3 тока, а также ограничивается резистором 15 цепи 14. Ограничение тока заряда конденсатора 16 требуется для того, чтобы нормировать тбк, отбираемый от приведенного рассасывающего тока обмотки (обратного тока базы транзистора 1) на заряд конденсатора 16. Уменьшение рассасывающего тока за счет его ответвления в конденсатор 16 может быть скомпенсировано уменьшением числа витков обмотки 7, т.е. увеличением тока, протекающего по ней.

Несмотря на то, что время рассасывания зарядов достаточно мало по сравнению с длительностью периода переключения ключа, этого времени вполне достаточно для заряда конденсатора 16 до требуемого напряжения. Необходимый подбор может быть осуществлен увеличением числа витков обмотки 2. Одновременно с зарядом емкости от обмотки 7 осуществляется заряд конденсатора 16 через пусковой резистор 10.

По прошествии времени рассасывания заряд конденсатора 16 прекращается и до поступления импульса U ВКЛ конденсатор 16 остается заряженным до своего амплитудного значения. Та ким образом, к моменту прихода импульса ивкл конденсатор 16, а следовательно, и цепь 14 оказываются под большим напряжением, чем они были к началу времени появления импульса Uвыкл Определенную, хотя и не определяющую роль играет и заряд конденсатора от пускового резистора 10. После поступления импульса U ВкЛ конденсатор 16 разряжается через открытый транзистор 5 в базу транзистора 1, вызывая его форсированное отпирание. Величина тока базы транзистора 1 ограничивается и выбирается требуемой резистором 15 цепи 14.

Выбором величины резистора 15 и величины напряжения на цепи 14 можно достигнуть уверенного и надежного включения транзистора 1 в режиме прерывистых токов нагрузки, т.е. тогда, когда в начальный момент дейст

10

15

20

25

30

35

40

45

50

5

124

вия импульса U в„„ ток коллектора транзистора 1 еще не успел достигнуть величины, достаточной для подхватывания положительной обратной связи трансформатора 3 тока.

Следовательно, осуществляется уменьшение тока через пусковой резистор 10, так как энергия, необходимая для надежного открывания силового транзистора 1, в основном потребляется путем трансформации напряжения из первичной токовой цепи коллектора в цепь питания включающего транзистора. Одновременно с этим, так как трансформация напряжения всегда более выгодна, чем преобразование его величины на активных резисторах, обеспечивается минимум потерь энергии схемы даже для увеличения длительности тока через включающий транзистор и его амплитуды.

Параллельные цепи 17,19 и 18,20, введенные в КС-цепь 14 (фиг.2), дают возможность обеспечивать независимую регулировку токов заряда конденсатора 16 (тока, отбираемого от рассасывающего тока базы транзистора 1) и разряда его (тока включения транзистора 1) для надежного подхватывания положительной обратной связи трансформатора 3. Этим достигается возможность для оптимизации временных и токовых характеристик схемы транзисторного ключа при его практической реализации при имеющихся ограничениях.

Следовательно, это позволяет путем независимой регулировки элементами 17-20 получить наиболее эффективные параметрь: транзисторного ключа при значительном диапазоне изменения тока нагрузки, технологических изменениях характеристик транзисторов, а также получить меньшие габариты трансформатора тока.

Таким образом, в схеме транзисторного ключа за счет трансформации энергии трансформатором тока из первичной цепи в цепь управления силовым транзистором достигается как повышение КПД, так и повышенная надежность работы транзисторного ключа в широком диапазоне токов нагрузки, включая режимы прерывистых и непрерывных токов нагрузки.

Включение RC-цепи (фиг.2) дает возможность также расширить функциональные возможности применения транзисторного ключа в более эффективных

член грешных устройствах автоматик, где требуется более высокое быстродействие, надежность и эффективность в условиях широкого изменения различ- иых дестабилизирующих факторов.

Формула изобретения

1. Транзисторный ключ, содержащий включающий и выключающий транзисторы и силовой транзистор, подключенный коллектором к выходному выводу через первичную обмотку трансформатора тока, включающая обмотка которого соединена началом через прямо включенный включающий диод с коллектором включающего Транзистора, подключенным через пусковой резистор к потенциальному полюсу источника питания, конец включающей обмотки соединен с эмиттером силового транзистора и эмиттером выключающего транзистора,

коллектор которого через обратно i - -включенный выключающий диод соединен с началом выключающей обмотки трансформатора тока, концом соединенной с базой силового транзистора и эмиттером включающего транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены включающая цепь, подключенная между коллектором включающего транзистора и эмиттером силового транзистора.

2.Ключ поп.1,отличающ и и с я тем, что выключающая цепь выполнена из последовательно соеди- 5 ненных ограничительного резистора и накопительного конденсатора.

3.Ключ по п.I, отличающий с я тем, что выключающая цепь выполнена из последовательно соединенных ограничительного резистора, накопительного конденсатора и двух цепочек из последовательно соединенных диода и резистора, подключенных встречно-параллельно.

7

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Цель изобретения - повышение КПД. Силовой транзистор (СТ) 1 управляется трансформатором тока 2, причем как включающий, так и выключающий ток базы СТ 1 обеспечивается трансформатором 3. Первоначальный запуск СТ 1 происходит от сравнительно большого по величине пускового резистора, дальнейшее функционирование СТ 1 происходит за счет энергии, трансформируемой из трансформатора тока. Соответствующее включение элементов схемы дает возможность без значительных энергетических затрат обеспечить надежное включение СТ 1 при малых токах коллектора, когда трансформатор тока еще не может обеспечить достаточную трансформацию из-за конечной величины индуктивности его намагничивания. В схеме предусмотрена независимая регулировка параметров, необходимых для оптимизации энергетических характеристик. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

17

19

18

20