Транзисторный инвертор Советский патент 1993 года по МПК H02M7/538 

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы транзисторного инвертора с логическими элементами соответственно для случаев применения в нем транзисторов n-p-п и р-пРТранзисторный инвертор с логическими элементами состоит из ключевого преобразователя 1 с первым 2, вторым 3, третьим 4 и четвертым 5 транзисторами, из генератора б прямоугольных колебаний с взаимно инверсными выходами 7 и 8, первого 9 и второго 10 логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ в зависимости от типа проводимости применяемых в инверторе транзисторов: n-p-п или, соответственно, p-n-р, из пятого 11 и шестого 12 транзисторов, первой RC-цепи 13, выполненной на последовательно соединенных первом резисторе 14 и первом конденсаторе 15, второй RC-цепи 16 на втором резисторе 17 и втором конденсаторе 18, которые также последовательно соединены между собой, из третьего 19, четвертого 20, пятого 21, шестого 22 резисторов, из предварительного усилителя мощности 23, содержащего седьмой 24, восьмой 25.транзисторы и седьмой 26 и восьмой 27 резисторы, а также из транзистора 28 с двумя обмотками 29 и 30 со средними точками, причем обмотка 30 имеет меньшее число витков, и с обмоткой 31, являющейся в данном случае выполнения выходом инвертора. Выходы 7, 8 генератора и прямоугольного напряжения, который может быть активным или пассивным (триггер), подключены к первым входам логических элементов 9,10, выходы которых соединены с первым и вторым входами предварительного усилителя мощности 23, в котором они через резисторы 26 и 27 подключены соответственно к базам транзисторов 24 и 25, эмиттеры которых подключены через соответственно первый и второй выходы и первый и второй входы ключевого преобразователя к базам его транзисторов 2 и 3, а коллекторы транзисторов 24, 25 через образуемые ими третий и четвертый выходы предварительного усилителя 23 подключены соответственно к началу и концу обмотки 30 трансформатора 28. Эмиттеры транзисторов 2-5 ключевого преобразователя 1 подключены к первой шине питания. Коллекторы транзисторов 2 и 3 через образуемые ими первый и второй выходы ключевого преобразователя подключены соответственно к началу и концу обмотки 29 трансформатора 28, средняя точка которого вместе со средней точкой обмотки 29 подключены ко второй шине питания. База транзистора 11 через RC-цепь 13 и резистор 19 соединена соответственно с третьим выходом предварительного усилителя мощности и первым выходом ключевого преобразователя 1. Аналогично база транзистора 12 через RC-цепь 16 и резистор 20 соединена с четвертым выходом предварительного усилителя мощности 23 и вторым выходом ключевого преобразователя 1.

Эмиттеры транзисторов 11 и 12 через третий и четвертый входы ключевого преобразователя соединены с базами транзисторов 4 и 5 соответственно, а их коллекторы подключены ко вторым входам логических эле5 ментов соответственно 10 и 9 и через резисторы 21 и 22 - ко второй шине питания. Работает инвертор (см. фиг. 1) следующим образом, В исходном состоянии транзисторы 11,4, 12,6 открыты за счет тока от

0 положительной шины питания по половине обмотки 29, резистору 19 и последовательно соединенным переходам база-эмиттер транзисторов 11, 4 и аналогично этому - по второй половине обмотки 29, резистору 20

5 и последовательно соединенным переходам база-змиттер транзисторов 12 и 5. В силу,того,что Ъадение напряжения на переходах коллектор-змитгер маломощных транзисторов 4,5 всегда меньше напряжения переходов ба0 за-эмиттер мощных транзисторов 2, 3 в состоянии их проводимости, переходы коллектор-эмиттер открытых транзисторов 4,5 блокируют переходы база-змиттер транзисторов 2, 3, а через переходы коллектор5 эмиттер транзисторов 11, 12 на вторых- входах логических элементов ИЛИ-НЕ 10, 9 устанавливаются логические нули. Как только на первом входе одного из этих логических элементов, допустим 9, от генератора

0 6 прямоугольного напряжения тоже появится логический нуль (от его выхода 7), на выходе данного логического элемента образуется логическая единица,пойдет базовый, а, значит, и коллекторный ток транзистора

5 24, причем ток от его эмиттера пойдет сначала не через переход база-эмиттер транзистора 2, а через переход коллектор-эмиттер транзистора 4, которым транзистор 2 блокирован. За счет возникшего падения напря0 жения-на коллекторе транзистора 24 через RC-цепь 13 на базу транзистора 11 будет передан отрицательный всплеск и он одновременно с транзистором 4 закроется. Теперь ток эмиттера транзистора 24 пойдет на

5 база-эмиттерный переход транзистора 2 и он откроется. Пойдет ток по половине обмотки 29 от положительной шины питания на коллектор транзистора 2. Так как потенциал коллектора транзистора 2 понизится, транзисторы 11 и 4 будут оставаться ззкрытымй и после окончания всплеска от RC-це- пи 13, так как падение напряжения перехода коллектор-эмиттер открытого (до насыщения) транзистора 2, даже если он мощный, меньше суммарного напряжения переходов база-эмиттер двух маломощных транзисторов 11 и 4. На время закрытого состояния транзистора 11 второй вход логического элемента 10 примет положительный потенциал благодаря его связи через резистор 21с положительной шиной питания.

После смены полупериодов генератора 6 прямоугольного напряжения транзисторы 24,2 (особенно 2) закрываются с задержкой из-за явления рассасывания в них неосновных носителей. До тех пор, пока транзистор 2 остается открытым, на втором входе логического элемента 10 будет поддерживаться логическая единица, на его выходе - логический нуль и транзисторы 25 и 3 не откроются. После фактического выключения транзистора 2, когда возрастает потенциал его коллектора, откроются транзисторы 4 и 11, в результате чего заблокируется снова транзистор 2 по переходу база-эмиттер и исчезнет логическая единица со второго входа логического элемента 10, что при наличии логического нуля на первом его входе (от выхода 8 генератора прямоугольного напряжения) приведет к открыванию транзистора 25.и развитию всех тех же процессов во втором полупериоде, которые приведут к закрыванию транзисторов 12 и 5 (всплеском отрицательной полярности со стороны RC- цепи 17), открыванию транзистора 3, удерживанию транзисторов 12 и 5 в закрытом состоянии и протягиванию во времени наличия запрещающей логической единицы на втором входе логического элемента 9, пока фактически не выключится транзистор 3 после очередной смены полупериодов генератора 6 и станет допустимым включение транзисторов 24 и 2.

Включение транзисторов 24,25 по отношению к транзисторам 2, 3 близко к составному (эмиттеры первых соединены с базами последних). Но составное включение транзисторов, решая задачу согласования выходов логических элементов в микросхемном исполнении с базами силовых транзисторов (при непосредственном соединении коллекторов основного и согласующего транзисторов) не позволяет достичь их насыщения и снизить потери мощности. Известно (см. например, О. А. Коссов. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. М.: Энергия, 1971, с. 114), что насыщение получается, если напряжение коллектора согласующего транзистора будет выше напряжения коллектора основного транзистора.

В заявленном инверторе это обеспечивается тем, что как основные силовые тран- 5 зисторы 2 и 3, так и согласующие 24, 25, нагружены на полуобмотки одного и того же трансформатора 28. Когда включится один из силовых транзисторов, допустим 2, с полуобмотки трансформатора 28, на которую

0 он нагружен, будет трансформироваться напряжение на полуобмотку, относящуюся к его согласующему транзистору 24 и, поскольку она содержит меньше витков, чем основная полуобмотка, на коллекторе тран5 зистора 24 напряжение будет равным напряжению сети за вычетом индуцированного напряжения в относящуюся к нему полуобмотку. С точки зрения максимального КПД при выборе коэффици0 ента трансформации между обмотками 29, 30 следует исходить из того, чтобы разница амплитуд переменных напряжений полуобмоток была равна сумме падений напряжений на переходах база-эмиттер и

5 коллектор-эмиттер соответственно основного и согласующего транзисторов. В такой схеме происходит автоматическое удержание насыщенного состояния силового транзистора: уход его из этого состояния в

0 рабочем для него полупериоде вызывает уменьшение величины индуцированного напряжения в полуобмотку согласующего транзистора, а значит, и увеличение коллекторного напряжения этого транзистора, что

5 способствует поддержанию величины базового тока силового транзистора. Вместе с тем,.мощность, выделяемая в коллекторных цепях согласующих транзисторов, которыми является дополнительная обмотка 30

0 трансформатора, добавляется к мощности, отдаваемой в нагрузку основными транзисторами.

Транзисторы 4 и 5 выполняют роль электронных ключей, заменяющих резисторы

5 между базой и эмиттером силовых транзисторов 2 и 3, которые обычно должны быть -малой величины (не больше 10 Ом). Но физически эти резисторы нужны лишь когда транзисторы закрыты, а в открытом состоя0 нии они бесполезны, так как на них рассеивается часть мощности управления. Каждый из этих ключей во время работы относящегося к ним силового транзистора закрыт и, наоборот, открывается сам, когда закрыва5 ется обслуживаемый им силовой транзистор.

Управление вторыми входами логических элементов 10 и 9 со стороны транзисторов 11 и 12. переключающимися одновременно с транзисторами 4 и 5, позволяет устранить

одновременную работу силовых транзисторов 2, 3 (и согласующих транзисторов 24, 25), чем предотвращаются сквозные токи (токи перекрытия), уменьшающих надежность и КПД инвертора.

Инвертор на р-п-р-транзисторах(фиг. 2) работает таким же образом с тем отличием, что если логические элементы ИЛИ-НЕ инвертора с п-р-в-транзисторами управляются логическими нулями по их совпадению на обоих входах, то в инверторе на р-п-р-тран- зисторах логические элементы И-НЕ управляются логическими единицами при их одновременном присутствии на двух входах такого логического элемента. Исходным уровнем на вторых входах элементов И-НЕ инвертора по фиг. 2 являются логические единицы, поступающие на эти входы от коллекторов открытых транзисторов 11 и 12 типа р-л-р. С поступлением от генератора 6 логической единицы на первый вход одного .из логических элементов 9 и 10 на его выходе устанавливается логический нуль, насту- пает состояние проводимости относящегося к нему согласующего транзи- . стора 24 или 25, что кладет начало вышеописанным процессам при противоположной полярности, напряжений на электродах транзисторов.

Настоящий транзисторный инвертор с логическими элементами может работать, подобно прототипу, в режиме внешнего управления, являясь в этом случае регулируемым.

Такое управление можно осуществить, например, применив логические элементы с тремя входами, подавая на третьи входы сигналы управления. На время, когда на третьих входах на части продолжительности полупериода будет логическая единица для элементов ИЛИ-НЕ или логический нуль для элементов И-НЕ, в выходном напряжении инвертора будет пауза-одинаковая по длительности в каждом полупериоде. Так становится возможным создание регулируемого инвертора по принципу ши- ротно-импульсной модуляции, что присуще прототипу.

Подключение широтно-импульсного модулятора к инвертору возможно не только через вводимые третьи входы логических элементов, но и при использовании двух- входовых логических элементов, если последовательно с какими-либо их входами установить дополнительные резисторы. Тогда широтно-импульсный модулятор может быть подключен к этим снабженным дополнительными резисторами входам, при этом выходной каскад широтно-импульсного модулятора должен работать на изменение (в части полупериода) логического нуля (если используются логические элементы ИЛИ-НЕ) или логической единицы (при логических элементах И-НЕ) на противоположный логический уровень. Это может быть реализовано, например, включением кол- лектор-эмитгерных переходов транзисторов выходных каскадов таких

широтно-импульсных модуляторов между входами логических элементов, используемых для управления, и первой шиной питания (противоположной той, к которой подключены резисторы 21, 22).

Выходом заявленного транзисторного инвертора может быть не только отдельная обмотка его трансформатора, но и непосредственно коллекторы силовых транзисторов 2,3, что удобно, например, для удвоения

напряжения первичного источника питания. Предложенный транзисторный инвертор с логическими элементами выгодно отличается от прототипа тем, что он позволяет получить большую выходную мощность при

большем КПД. Это стало возможным благодаря тому, что:

выходные сигналы логических элементов, имеющих ограниченную нагрузочную способность, усиливаются двумя противофазными промежуточными (не классически составными) каскадами, в коллекторы транзисторов которых включена дополнительная обмотка трансформатора инвертора. На обслуживание этого каскада не требуется

дополнительная мощность и обеспечиваемся оптимальный режим (с автоматическим поддерживанием) насыщения силовых транзисторов;

для того, чтобы управлять транзисторами 11, 12, реализующими совместно с логическими элементами 10, 9 функцию автоматической задержки включения силовых транзисторов, не требуется дополнительной энергии. Для управления этими

транзисторами и дополнительными ключевыми транзисторами 4, 5 используются одни и те же управляющие сигналы, так как база-эмиттерные переходы пар транзисторов 11, 4 и 12, 5 включены последовательно

и управление ими совместимо.

Полезным является также и то, что резисторы, включаемые параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов, могут отсутствовать, их роль выполняют дополнительные ключевые транзисторы, чем исключаются потери мощности управления силовыми транзисторами; инвертор может работать в режиме внешнего управления по принципу широтно-импульсной модуляции.

Формула изобретения 1. Транзисторный инвертор, содержащий первый и второй транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому входному выводу инвертора, коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, отвод от средней точки которой соединен с вторым входным выводом инвертора, а базы соединены с первыми парафазными выходами предва- рительного усилителя, парафазными входами соединенного с выходами первого и второго логических элементов, первые входы которых подключены к выходу задающего генератора, причем трансформатор имеет дополнительную обмотку с отводом от средней точки, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены две последовательные RC-цепочки,третий,четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом третий и четвертый транзисторы соединены коллектором с базой, эмиттером - с эмиттером соответственно первого и второго транзисторов, а базой с. эмиттером соответ- ственнопятогоишестоготранзисторов,коллекторы которых соединены с вторым входом соответственно второго и первого логических элементов и через введенные первый и второй резисторы - с вторым входным выводом инвертора, а базы через соответствующие последовательные RC-цепочки - с крайними выводами дополнительной обмотки, отводом от средней точки подключенной к второму входному выводу инвертора, и через введенные третий и четвертый резисторы - с коллекторами соответственно первого и второго транзисторов, при этом предварительный усилитель выполнен на седьмом и восьмом транзисторах, эмиттер каждого из которых соединен с соответствующим первым пара- фазным выходом предварительного усилителя, коллектор - с соответствующим крайним выводом дополнительной обмотки трансформатора, а база через соответственно пятый и шестой резисторы - с соответствующимпарафазным входом предварительного усилителя.

2. Инвертор по п. 1,отличающийся тем, что все транзисторы выполнены с проводимостью n-p-n-типа, а все логические элементы - ИЛЙ-НЕ-типа.

3. Инвертор по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что все транзисторы выполнены с проводимостью p-n-p-типа, а все логические элементы -И-НЕ-типа.