Ключевое генераторное устройство Советский патент 1991 года по МПК H03K17/60 H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в качестве генератора сигналов заданной формы на большом уровне мощности в преобразовательных и передающих устройствах.

Цель изобретения. - повышение КПД при снижении искажения сигналов.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - эпюры, поясняющие его принцип действия (индексы сигналов на фиг.2 соответствуют индексам блоков и элементов на фиг.1, к выходу которых они относятся).

Ключевое генераторное устройство (фиг,1) содержит последовательно соединенные источник 1 низкочастотного (НЧ) сигнала и многоканальный широтно-импульсный модулятор 2 (ШИМ), первую 3 и вторую 4 шины питания, между которыми последовательно включены по питанию N ключевых усилителей 5 (N 2,3), каждый К-й из которых содержит по два последовательно соединенных ключевых элемента на транзисторах 6 и 7 и диодах 8 и 9 (К 1. 2N), а также по два последовательно соединенных конденсатора 10 и 11. При этом выходы каждого ключевого усилителя соединены с первичной обмоткой 12

О

о

о

vj О

соответствующего одного из N выходного трансформатора, основные вторичные обмотки 13 которых соединены последовательно, а дополнительная вторичная обмотка 14 каждого из них через выпрямитель на диодах 15 и 16 соединена соответст- венно с выводами питания (К+1)-го ключевого усилителя 5, а дополнительная вторичная обмотка 14 N-го выходного трансформатора соединена через выпрямитель на диодах 15 и 16с выводами питания первого ключевого усилителя 5. Входы N ключевых усилителей 5 соединены с выходами многоканального широтно-импульсного модулятора 2, а крайние выводы основных вторичных обмоток 13 выходных трансформаторов через дроссель 17 соединены с нагрузкой 18.

Источник 1 НЧ сигнала формирует на сво ем выходе требуемый, в общем случае, полигармонический сигнал. В частных случаях это может быть моногармонический или двухтоновый сигнал (как постоянной, так и переменной частоты и амплитуды). Такие генераторы, как правило, содержат либо генератор шума с соответствующими формирующими фильтрами, либо группу управляемых генераторов гармонических колебаний, либо запоминающее цифровое или аналоговое устройство. Конкретная реализация источника 1 НЧ сигнала определяется конкретным назначением ключевого генераторного устройства и не является существенной.

Многоканальный широтно-импульсный модулятор 2 предназначен для формирования ряда (по числу каналов ШИМ) импульсных сигналов с ШИМ в соответствии с выходным сигналом источника 1 НЧ сигнала. При этом частоты ШИ преобразования выбираются в несколько раз выше частоты сигналов.на входе модулятора 2, причем сигналы на выходах многоканального ШИМ 2 могут быть сдвинуты по фазе по частоте ШИ преобразования, но быть синфазными по низкой модулирующей частоте сигнала источника 1 НЧ сигнала. Такие многоканальные ШИМ 2, как правило, содержат М (М - число каналов, М 2,3,...) компараторов и М формирователей пилообразного напряжения, подключенных к первым входам соответствующих компараторов, вторые входы которых объединены и являются входом ШИМ 2.

Ключевые усилители 5 идентичны и предназначены для усиления по мощности входных импульсных сигналов без искажения их длительности. При этом очевидно, что вхрды ключевых усилителей 5 должны иметь устройства гальванической развязки

(трансформаторные, опторные и другие) Ключевые усилители 5 выполнены по двухконтактным полумостовым схемам и содержат по два последовательно соединенных

ключевых элемента, например, на биполярных транзисторах 6 и 7 и диодах 8 и 9, а также по два последовательно соединенных конденсатора 10 и 11 (фиг.1). При выполнении ключевых усилителей 5 на парах тран0 зисторов одной проводимости в состав ключевого усилителя 5 должно входить инвертирующее звено {трансформатор или логический инвертор на фиг.1), обеспечивающее противофазные переключения ключе5 вых элементов (транзисторов 6 и 7). Величина емкости конденсаторов 10 и 11 выбирается по стандартной методике: их сопротивление на нижней рабочей частоте (НЧ сигнала) должно быть существенно, (в

0 5-10 раз) меньше сопротивления нагрузки усилителя 5.

Трансформаторы являются идентичными и служат для обеспечения гальванической развязки друг от друга выходов

5 ключевых усилителей 5 и суммирования их выходных сигналов последовательно Коэффициент их трансформации (соотношение обмоток 13 и 12) выбирается для обеспечения согласования устройства с нагрузкой

0 18. Дополнительные обмотки 14 не являются силовыми и должны иметь коэффициент трансформации к первичным обмоткам 12 около 1 (обычно выбирается 0,9-0,95). Величина этого коэффициента трансформации

5 обуславливает необходимую точность выравнивания напряжений питания различных ключевых усилителей 5.

Диоды 15 и 16 являются элементами выпрямителей, обуславливающих подклю0 чение дополнительных обмоток трансформаторов к шинам питания ключевых усилителей 5 и обеспечивающих протекание импульсов токов выравнивания

Дроссель 17 является элементом филь5 трации, служащим д ля подавления составляющих частоты ШИ преобразования и выделения на нагрузке 18 (обычно активной либо емкостной) преимущественно полезных НЧ составляющих.

0 Устройство работает следующим образом.

Пусть на выходе источника 1 НЧ сигнала формируется низкочастотный синусоидальный сигнал U1 (см. фиг.2), тогда на первом

5 выходе многоканального ШИМ 2 формируется сигнал U2 с ШИМ, такой, что его длительность импульсов пропорциональна величине сигнала U1.

На других выходах многоканального ШИМ 2 формируются аналогичные импульсные сигналы, но сдвинутые по фазе по частоте ШИ преобразования (по низкой частоте все выходные сигналы модулятора 2 синфазны). Каждый из импульсных сигналов (например, U2) поступает на вход соответствующего ключевого усилителя 5, на первом выходе которого формируется импульсный сигнал (US), повторяющий по форме входной сигнал и имеющий амплитуду Е1, равную напряжению питания данного ключевого усилителя. На втором выходе ключевого усилителя 5 присутствует напряжение (U5), задаваемое емкостным делителем и несколько изменяющееся с частотой НЧ сигнала (это обусловлено конечностью величины емкости конденсаторов 10 и 11 ключевого усилителя 5). В результате этого к входу (т.е. к первичной обмотке 12) трансформатора прикладывается импульсное напряжение (U5) не только модулированное по длительности (в соответствии с ШЙМ), но модулированное и по амплитуде с низкой частотой (см.. фиг.2).

При этом аналогично на втором выходе второго (и других) ключевого усилителя 5 (U5) напряжение также изменяется с низкой частотой, в результате чего напряжение на конденсаторах делителя также изменяется, оставаясь в сумме равным Е2 (фиг.2д). При этом напряжение U15, выделяемое как положительная часть напряжения U5 с помощью диода 15, прикладывается к конденсатору ключевого усилителя 5 второго канала, имеющего напряжение Е2, а напряжение второго канала U16, выделяемое диодом 16 второго канала, прикладывается к конденсатору, имеющему напряжение Е2. Напряжения U15 и Е2 первого канала, а также U16 и Е2 второго канала изменяются по НЧ синфазно и, следовательно, пульсации на конденсаторах напряжения с НЧ не вызывают протекания токов выравнивания, что исключает дополнительные потери при E1tE2 (фиг.2,ж). В случае же неравенства Е1 и Е2 через диоды 15 и 16 протекает от конденсаторов питания ключевого усилителя 5 первого канала к конденсаторам питания ключевого усилителя 5 второго канала ток, вызывающий их перезаряд и выравнивание Е1 и Е2. Аналогично обеспечивается выравнивание напряжений питания и на других ключевых усилителях 5.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается высокая точность выравнивания напряжений на всех ключевых усилителях 5, выполненных по полумостовым схемам, в широкой полосе рабочих частот (НЧ сигнала) без возникновения

паразитных токов в цепях выравнивания, что и обеспечивает повышение КПД устройства при снижении искажений

5Формула изобретения

Ключевое генераторное устройство, содержащее N(,3 ..) соединенных последовательно по цепи питания ключевых

10 усилителей, N трехобмоточных выходных трансформаторов, выводы первичной обмотки каждого из которых соединены с одноименными выходами соответствующего ключевого усилителя, вход каждого из кото5 рых соединен с соответствующим выходом многоканального широтно-импульсного модулятора, вход которого подключен к выходу источника низкочастотного сигнала, а также N выпрямителей первый вход каждо0 го из которых подключен к первому выводу дополнительной вторичной обмотки соответствующего выходного трансформатора, и дроссель, первый вывод которого соединен с первым выводом основной вторичной

5 обмотки первого выходного трансформатора, а второй - с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен с вторым выводом основной вторичной обмотки N-ro выходного трансформатора, отличаю0 щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД при снижении искажений, каждый К-й из N выпрямителей выполнен на двух (2k-1)-M и 2К-м диодах, а ключевые усилители выполнены по полумостовым схемам и содержат

5 по два последовательно соединенных ключевых элемента и по два последовательно соединенных конденсатора, причем точка соединения ключевых элементов является первым выходом, а точка соединения кон0 денсаторов - вторым выходом каждого клю- чевого усилителя, причем основные вторичные обмотки выходных трансформаторов соединены последовательно, а точка соединения анода 2К-го и катода (2К-1)-го

5 диодов является первым входом К-го выпрямителя, при этом катод 2К-го диода соединен с первым выводом питания, а анод (2К-1)-го диода - с вторым выводом питания (К+1)-го ключевого усилителя причем катод

0 2N-ro диода и анод (2N-1)-ro диода соединены аналогично с выводами питания первого ключевого усилителя, при этом второй вывод дополнительной вторичной обмотки каждого К-го (К 1.2 N-1) выходного

5 трансформатора соединен с вторым выходом (К+1)-го ключевого усилителя, a N-ro выходного трансформатора - с вторым выходом первого ключевого усилителя.

I шина питания

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве генератора сигналов заданной формы. Цель изобретения - повышение КПД при снижении искажения сигналов. Ключевое генераторное устройство содержит N(N=2,3...) соединенных последовательно по цепи питания ключевых усилителей, N трехобмоточных выходных трансформаторов, а также многоканальный широтно-импульсный модулятор, N выпрямителей и дроссель. Поставленная цель достигается выполнением каждого из N выпрямителей на двух диодах, а ключевых усилителей-по полумостовым схемам, которые содержат по два последовательно соединенных ключевых элемента и по два последовательно соединенных конденсатора. Такое выполнение ключевого генераторного устройства позволяет практически исключить потери, обусловленные протеканием как тока высокочастотных составляющих импульсного напряжения, модулированного по длительности, так и паразитных составляющих протекающих через выпрямители выравнивающих токов, при использовании высокоэффективных полумостовых оконечных каскадов, соединенных последовательно по питанию. 1 ил.

Гк

ГК

5

L

К

8 Ф

ЙЫ

рыл. 72

5 Ж

W

75

5ft«

TJ

Ґ

t

/5

W75

М

6-2

7 7

U

7-Г-21

-w

е-;

-j

6-2-2

/7

7-to-i)-i

44-

2ЈФ

5-Л

з

irfi-л

W )-2

Яшина питания

Фиг./

in п п п л