Транзисторный ключ Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутационной технике и электронным устройствам управления элементами автоматических систем, и может быть использовано при построении преобразователей электрической энергии, входящих в состав средств энергопитания, электроприводов и вторичных источников электропитания.

Известны схемы транзисторных ключей с нелинейной обратной связью и знакопеременной обратной связью.

Недостатками известных ключей являются существенная мощность потерь, выделяющаяся на коллекторе входного транзистора, который регулирует ток базы силового транзистора. Это определено тем, что входной транзистор находится в активном режиме и падение напряжения на его переходе коллектор-эмиттер равно разности между напряжением питания ключа и напряжением на базе силового транзистора. Если же в цепи коллектора входного транзистора включен токоограничительный резистор, то мощность потерь, равная произведению тока базы силового транзистора (он же ток коллектора входного транзистора) на напряжение/равное разнице напряжения питания и напряжения на базе силового транзистора, все равно остается той же, только перераспределяется между этим резистором и входным транзистором, Указанные недостатки снижают КПД этих транзисторных ключей.

Наиболее близким по технической сущ; ности .к предлагаемому является транзисторный ключ, содержащий выходной силовой транзистор, коллектор которого соединен с первым выходным выводом, эмиттер соединен с вторым выходным выводом, а к базе подключены первый шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом, и эмиттер входного транзистора, коллектор которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а к базе подключены второй шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом, анод диода обратной связи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, и коллектор токостабилизую- щего транзистора, эмиттер которого соединен с базовой управляющего транзистора и через последовательно включенные первый и второй резисторы, подключен к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с вторым выходным выводом, к первой клемме источника питания также подключен эмиттер управляющего транзистора, коллектор которого соединен

с базой токостабилизирующего транзистора и через третий резистор - с входом управления и, кроме того, имеющий второй токостабилизирующий транзистор, резистивный делитель и токоограиичительный диод.

Недостатком этого ключа также является значительная мощность, рассеиваемая на коллекторе входного транзистора, что

0 снижает КПД ключа. Это объясняется следующим. Если принять падение на всех р-п- переходах всех транзисторов приблизительно одинаковым и равным Do, то минимально необходимая для обеспече5 ния работоспособности схемы величина напряжения источника питания должна быть не менее 4U0 (падения на база-эмиттерных переходах силового, входного, токостабилизирующего и управляющего транзисторов). Падение же напряжения на базе силового

0 транзистора всего .Do, таким образом на входном транзисторе и резисторе, включенном в его коллекторную цепь, падает 3U0, и это напряжение, умноженное на ток базы силового выходного транзистора, который

5 протекает через эти транзистор и резистор, дает мощность потери, которая снижает КПД ключа. А так как ключи обычно питаются от нестабилизированного напряжения, минимально возможная величина которого

0 выбирается из наихудших условий, при номинальных условиях величина напряжения питания будет больше 4Uo и потери на входном транзисторе его возрастут.

Целью изобретения является увеличе5 ние КПД ключа за счет уменьшения мощности потерь, рассеиваемой на входном транзисторе и уменьшения мощности, потребляемой от источника питания.

Поставленная цель достигается тем, что

0 в транзисторный ключ, содержащий выходной силовой транзистор, коллектор которого соединен с первым выходным выводом, эмиттер соединен с вторым выходным выводом, а к базе подключены первый шунтиру5 ющий резистор, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом, и эмиттер входного транзистора, к базе которого подключены второй шунтирующий резистор, вторым выводом соединенный с

0 вторым выходным выводом, анод диода обратной связи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, и коллектор токостабилизирующего транзистора, эмиттер которого соединен с базой

5 управляющего транзистора и через последовательно включенные первый и второй резисторы подключен к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с вторым выходным выводом, к

первой клемме источника питания также подключен эмиттер управляющего транзистора, коллектор которого соединен с Сазой токостабилизирующего транзистора и через третий резистор - с входом управления, введены трансформатор тока, рекупериру- ющий и выпрямительный диоды, причем первичная обмотка трансформатора тока включена между коллектором входного транзистора и точкой соединения первого и второго резисторов, а вторичная обмотка первым выводом подключена к базе выходного силового транзистора, а вторым - к аноду рекуперирующего диода, катод которого соединен с первой клеммой источника питания, и катоду выпрямительного диода, анод которого соединен со вторым выходным выводом.

На чертеже приведена электрическая схема предлагаемого транзисторного ключа.

Транзисторный ключ содержит выходной силовой транзистор 1, коллектор которого соединен с первым выходным выводом 2, а эмиттер соединен с вторым выходным выводом 3. К базе транзистора 1 подключе- ны первый шунтирующий резистор 4, вторым выводом соединенный с вторым выходным выводом 3, и эмиттер входного транзистора 5, к базе которого подключены второй шунтирующий резистор 6, знод дио- да 7 обратной связи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора 1, и коллектор токостабилизирующего транзистора 8. Эмиттер токостабилизирующего транзистора 8 через последовательно сое- диненные первый резистор 9 и второй резистор 10 подключен к первой клемме 11 источника питания. Вторая клемма 12 источника питания соединена с вторым выходным выводом 3. К первой клемме 11 источника питания также подключен эмиттер управляющего транзистора 13, база которого соединена с эмиттером транзистора 8, а коллектор подключен к базе транзистора 8, и, через третий резистор 14 - к входу 15 управления. Первичная обмотка 16 трансформатора тока включена между кол- лектром входного транзистора 5 и точкой соединения резисторов 9 и 10. Вторичная обмотка 17 трансформатора тока первым выводом соединена с базой выходного силового транзистора 1, а вторым подключена к аноду рекуперирующего диода 18, катод которого соединен с первой клеммой 11, источника питания, и катоду выпрямитель- ного диода 19, анод которого соединен с вторым выходным выводом 3.

Транзисторный ключ работает-следующим образом.

При наличии сигнала логической 1 на входе 15 (Uynp Упит) транзисторы 13, 8 закрыты, транзистор 5 также закрыт, следовательно закрыт и транзистор 1. При подаче на вход 15 сигнала логического О (Uynp 0) по цепи базы транзистора 8 через резистор 14 протекает ток. Под действием тока коллектора транзистора 8 на резисторе 6 появится падение напряжения, которое откроет транзистор 5. Под действием то.ка коллектора транзистора 5 (он же ток первичной обмотки 16 трансформатора тока) и тока вторичной обмотки 17, который замыкается через диод 19 в коэффициент трансформации больше тока коллектора транзистора 5, на резисторе 4 появится падение напряжения, которое откроет выходной силовой транзистор.1. Падение напряжения на резисторах 9 (от эмиттерного тока транзистора 8) и 10 (от коллекторного тока транзистора 10} открывает транзистор 13, замыкается отрицательная обратная связь и транзистор 8 выходит на режим стабилизации тока, так как при увеличении тока эмиттера транзистора 8 увеличивается падение напряжения на резисторах 9 и 10, что вызывает дополнительное открывание транзистора 13, который уменьшит ток базы транзистора 8. При входе силового транзистора 1 в насыщение откроется диод 7 обратной связи и ток коллектора транзистора 8 перераспределится между базой транзистора 5 и диодом 7, в результате чего ток базы транзистора 5 уменьшится, соответственно уменьшится ток его коллектора и ток обмотки 17 трансформатора тока, а, значит, и ток базы силового транзистора 1, в результате чего последний будет поддерживаться на границе насыщения, так как если транзистор начнет выходить из насыщения (например, при увеличении тока нагрузки) увеличится падение напряжения на его коллекторе, диод 7 закроется и ток базы транзистора 1 увеличится. Схема придет к установившему-. ся режиму. При этом на входном транзисторе 5 падение напряжения будет равно напряжению питания за вычетом падения напряжения на базе силового транзистора и падения напряжения на первичной обмотке трансформаторного тока, которое равно 2U0 (падения напряжения на базе силового транзистора 1 и на диоде 19), умноженное на коэффициент трансформации. Очевидно, что даже при коэффициенте трансформации трансформатора тока, равном единице, падение напряжения на входном транзисторе 5 уменьшается на 2U0, a его ток уменьшается в два раза, что значительно уменьшает потери мощности нз коллекторе этого транзистора. Кроме того,

уменьшаются ток и мощность, потребляемые от источника питания, так как в этом случае более используется его напряжение.

При подаче на вход 15 управления сигнала логической 1 закрываются транзисто- ры 8, 5 и 13, выключается транзистор 1. Энергия, накопленная в трансформаторе тока через рекуперирующий диод 18, возвращается в источник питания. Схема возвращается в исходное состояние.

Таким образом, за счет введения транс- Форматора тока и выпрямительного и рекуперирующего диодов, уменьшается падение напряжения на входном транзисторе и ток через него, что снижает потери мощности на его коллекторе, уменьшается, за счет более полного использования напряжения, ток потребляемый от источника пи- т.ания, а энергия, накопленная в трансформаторе тока, возвращается в ис- точнйк питания на этапе выключенного состояния ключа, что, все вместе и ведет к повышению КПД, так как уменьшаются и потери мощности в ключе и мощность, потребляемая им от источника питания.

Формула изобретения Транзисторный ключ, содержащий выходной силовой транзистор, коллектор кото- рого соединен с первым выходным выводом, эмиттер соединен с вторым выходным выводом, а к базе подключены первый шунтирующий резистор, второй вывод которого соединен с вторым выходным выводом, и эмиттер входного транзистора, к базе которого подключены второй шунтирующий резистор, второй вывод которого соединен с вторым выходным выводом, анод диода обратной связи, катод которого соединен с коллектором силового транзистора, и коллектор токостабилизйрующего транзистора, эмиттер которого соединен с базой управляющего транзистора и через последовательно включенные первый и второй резисторы подключен к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с вторым выходным выводом, к первой клемме источника питания также подключен эмиттер управляющего транзистора, коллектор которого соединен с базой токостабилизйрующего транзистора и через третий резистор - с входом управления, о т- личающийся тем, что, с целью повышения КПД за счет уменьшения мощности потерь на входном транзисторе и мощности, потребляемой от источника питания, введены трансформатор тока, рекуперирующий и выпрямительный диоды, причем первичная обмотка транформатора тока включена между коллектором входного транзистора и точкой соединения первого и второго резисторов, а вторичная обмотка первым выводом подключена к базе выходного силового транзистора, а вторым - к аноду рекуперирующего диода, катод которого соединен с первой клеммой источника питания, и к катоду выпрямительного диода, анод которого соединен с вторым выходным выводом.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электронным устройствам управления элементами автоматических систем и вторичных источников электропитания. В транзисторный ключ на транзисторах 1, 5, 8 и 13 введены трансформатор тока с первичной 16 и вторичной 17 обмотками, выпрямительный 19 и рекуперирующий 18 диоды, что позволило уменьшить падение напряжения на входном транзисторе 5 и его ток коллектора, а также уменьшить потребляемый от источника питания ток за счет более полного использования его напряжения, что позволило повысить КПД транзисторного ключа. 1 ил. w Ё VJ hO О СП ю