Двухтактный конвертор Советский патент 1979 года по МПК H02M3/335 

(54) ДВУХТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР

В данномконверторе длительность перемагничивания дросселя не зависит от технологического разброса транзисторов по прямому напряжению эмиттерных переходов и имеется возмржнрсть симметрировать работу плеч конвертора переменным резистором. Однако он имеет следующие недостатки: относйтеЖйая сложность схемы, относительно узкий диапазон регулировки по устранению асимметрии, недостаточная устойчивость отсимметрированного состояння.

Относительная сложность схемы обусловлена введением еще по одной дополнительной об MOtKe на трансформатор и дроссель резнсторно-диодной цепочки.

Недостаточная устойчивость отсимметрированнрго состояния в данном конверторе объясняется тем, что в нем ле предусмотрены меры по автоматическому устранению асШйбтрйй;во никающей при изменении тока нагрузки и температуры окружающей среды.Эта асимметрия возможна из-за различногбзакона изменения времени рассасывания избыточных носителей транзисторов при изменении их коллекторных токов и температуры окружающей среды.

Целью изобретения является упрощение схемы и расширения диапазрна регулировки при однрвременном устранении асимметрии, а также повышение устойчивости отсимметрированного

; состояния. .,,..-.-------- v --- Этр достигается тем, что конвертор содержит мост, оДно плечо которого образовано транзисторами, а другое конденсаторами, трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, а вторичная подсоединена через выпрямитель и емкостный фильтр к вы , . - :-: : : ,.:,;;, . .„...Л. жлг..

ходнЫМвыводам, обмотка положительной обратг ной связи, подключенные через базовШГрёзисторы к базозиййттерньтм пербходш трШзйсторда, двухобмоточный частотозадающий индуктивный злемент, обмоткн кот6рбГбсвязШЫ чгереэг разделительные диоды и дрпо.г1нительнь1е обмотки трансформатора с указанными базо-змиттерными переходами, а параллельно первичной обмотке трансформатора включен конденсатРр, а каждая рбмотка индуктивнрго элемента связана с резистором; ПричШ, по Меньшей шре, РДйн из них является регулируемым.

Кроме того указанная/ свйзь осуществлена через два дополнительно введенйьгхрезйстЬра, каждый из который включен поСЛедр)8ательно с обмоткой упомянутого йщ1уктйвного злемента.

При использовании в конверторе транзисторрв с пасивным запиранием в качестве базовых резисторов использованы потенциометры, средшб выводы котррых через упомянутые разделительные диоды и обмоткн дросселя подключены к эмиттерйм транзисторов соответствующих ТЙШт вёртораГ -..--

При испрльзовании в конверторе транзисторов с активным запиранием обмотки индуктивного элемента размещены на двух сердечниках, а конвертор снабжен дополнительными диодами, J каждый из которых одним концом соединен с общей точкой соединения одного вывода соответствующей обмотки индуктивного элемента и разделительного диода, а другим - через введенный резистор и упомянутую дополнительную 10 .обмотку с другим выводом обмотки индуктивного злемента.

На фиг. 1-4 представлены варианты двух тактного конвертора.

Двухтактный конвертор (см. фиг, 1) содержит

5 конденсаторы 1 и 2, транзисторы 3 и 4, образующие транзисторнр-емкрстной мост, конден-. сатор 5, повышающий устойчивость отсимметрированного состояния, трансформатор 6, имеющий первичную обмотку 7, вторичную обмотку 0 8, подсоединённую к выпрямителю 9 с емкостным фильтром j О, рбмртки полржитепьной 11 и 12 обратной связи, содержащее по одинаковРМу 4HcJty витков и подключенные через резисторы 13 н 14 к эмиттерным переходам тран5 зисторов, две одинаковые доподнительные обмотки 15 и 1, частотозадающий индуктивный элемент 17 с обмотками 18 и 19 (выполненный в виде дросселя на одном сердечнике), разделительные диоды 20 и 21, дополнительно 0 ввеДёННь1е ёзйсторы 22 и 23, диоды 24 и 25, защищающие змиттерные переходы транзисторов от пробоя обратным напряжением,

Обмотки 11, 12, 15 и 16 целесообразно выбирать одинаковыми и амплитуда напряжения 5 на каждой из них должна быть в 8-10 раз больше чем максимально возможное прямое напряжение эмиттерного перехода транзисторов, что обусловлено стремлением избавиться от влиягая на работу конвертора технологического 0 разброса транзисторов по указанному напряже нию.

Рассмотрим процессы, происходящие в конверторе по фиг. 1, без учета влияния конденсатора 5, Допустим, что транзистор 4 открыт. Тогда 5 обмотка 7 подключена через открытый транзистор к конденсатору 2, под действием напряжешй котррого сердечник трансформатора 6 перемегничивается. Транзистор 4 открьгг током, протекающим через его эмиттерный переход от обQ мотки 12 через резистор 14, а транзистор 3 запрет прямым напряжением диода 24, вызванным Протекающим через него током от обмотки 11 через рГёЭйстор 13, Сердечник дросселя 17 перемагниодвается; под действием напряжения, обмотки 16, подключенной к обмотке 19 через эмиттерный переход транзистора 4, дирд 21 и резистор 23. Цепь обмотки 18 разорвана диодом 20, который sanept суммарным напряжением обмрток 15( 18 и диода 24. Время перемагничивания сердечника дросселя .17 всегда должно быТ1ь меньше времени перемагничивания сердечника TjpaffccJrapMaTOpa 6. НВ момент насыщения сердечника дросселя через эмиттерный переход транзистора 4 от обмотки 16 начинает протекать ток, ограниченный резистором 23, и вызывающий запирание транзистора 4. Меняется полярность напряжений на обмотках трансформатора. Открьшается транзистор 3, подключая обмотку 7 к конденсатору I, под действием напряжения которого сердечник трансформатора перемагничивается в противоположном направлении. Диод 21 запирается, разрывая цепь обмотки 19, а диод 20 открьшается, подкл ючая обмотку 18 через эмиттерный переход транзистора 3 и резистор 22 к обмотке 15, под действием напряжения которой сердечйик дроссели такжв перемагничивается в противополбжном направлении. Далее процессы в конверторе проходят как и при открытом транзисторе 4. Максимальная величина сопротивления резистора 23 выбирается равной сопротивлению резистора 14, а величина сопротивления реэисто|ра 22 - в 2-3 раза меньше. i Симметрирование плеч конвертора осуществляется резистором 23. С увеличением его сопр тивление уменьшается напряжение обмотки 19 и ток, запирающий транзистор 4, что приводит к увеличению длительности полупериода преобразования со стороны транзистора 4 за счет возрастания времени рассасывания избыточных носителей последнего и времени перемагничивания сердечника дросселя 17. С уменьшением сопротивления резистора 23 наблюдается противоположное явление. Рассмотрим вопросы, связанные с применением конденсатора 5. В предлагаемом конверторе данный конденсатор используется с целью повышения устойчивости отсик метрированного состояния, т.е., с поКющью конденсатора 5 автоматически устра няется асимметрия в конверторе, вызванная изменением его тока нагрузки, температуры окружающей среды. Механизм устранения асимметрии в конвёрто ре конденсатором 5 следующий. Допустим, что транзистор 4 включен и длительность его вклю ченного состояния (с учетом времени рассасьта ния) больше, чем у траязистора 3. Пока сердечник дросселя 17 не насыщен, конденсатор 5 заряжен до амплитудного значения напряжения обмотки 7 и на работу конвертора не оказывает влияния. В момент насыщения сердечника дросселя 17 в цепь базы транзистора 4 чере диод 21 поступает запирающий импульс тока. В тарнзисторе 4 происходит процесс рассасьшания избыточных носителей, сопровождающийся малым увеличением коллекторного напряжения и уменьшением напряжений на обмотках рансформатора. Если учесть, что при переклюении транзистора нййрйжеше на конденсаторе 10 практически не меняется, то всякое незнаительное, уменьшение напряжения на обмотке 8 вызьшает резкое уменьшение тока вьшрямитея 9. Как только напряжение на обмотке 8 меньшится на величину, равную прямому наряжению выпрямителя 9, последний запирается, отключая цепь нагрузкиот Конденсатора. алее трназистор 4 беспрепятствейно закрывается, а Сердечник. 1рансформатора 6.-продолжает перемагничиваться в первоначальное направпении под действием энергии заряженного конценсатора 5 до тех пор, пока напряжение на Последнем не станет равйьш нулю. Затем прекращается рост магнитного потока в сердечнике трансформатора, меняется Полярность напряжений на его обмотке иначинается заряд противоположной полярности конденсатора 5 знергией, накопленной трансформатором 6. Но так как напряжение на обмотке 11 пропорционально величине напряжения на конденсаторе 5, то по мере его заряда приоткрьшается транзистор 3, осуществляя частичный его заряд энергией входного источника. 13 момент окончания заряда конденсатора 5 полностью открьшается транзистор 3, подключая, обмотку 7 к конденсатору 1, в результате чего сердечники трансформатора и дросселя перемагничиваются в противоположном направлении, конденсатор 5 опять не оказывает влияния на работу конвертора, пока сердечник дросселя не насыщен. После его насыщения запирается транзистор 3, а сердечник трансформатора продолжает перемагничиваться Б неизменном направлении под действием приложенного к обмотке 7 напряжения на конденсаторе 5. Только теперь во времени этот процесс идет дольше, ибо в момент запирания транзистора 3 Ток намагничивания трансформатора,имел меньшую величину, чем в момент запирания транзистора 4, т.е. происходит автоматическое симметрирование работы плеч конвертора. В Варианте конвертора, представленном на фиг. 2, не используются дополнительные обмотки трансформатора 6, и элементом, позволяющим устранить асимметрию, являетсй базовый резистор 14. Конструктивно резистор 13 выполняется из двух одинаковых резисторов, соединенных последовательно. В отличие от рассмотренного, в данном варианте конвертора при открытом транзисторе 4 сердечник дросселя 17 перемагничивается под действием приложенного k обмотке 19 через диод 21 напряжения, равного разности напряжений на обмотке 12 и на часта резистора 14. В это времядиод 20 заперт, напряжением, равным сумме напряжешй на обмотках П и 18 . за вьиетом половины напряженияна резисторе 13. При насыщении сердечника дросселя ток обмотки 12 замыкается через обмотку 19, в результате ток эмиттерного перехода транзистора 4 близок к нулю, что приводит к запиранию последнего и т. д. При движении ползунка резистора 14 влево напряжение на обмотке 19 уменьшается, поэтому увеличива.ется длительность состояния транзистора 4, а при движении его вправо наблюдается противоположное явле-ние. Дост6)1нствами конвертора,, изображенного m фиг. 2, являются простота схемы и широкий диапазон регулировки по устранению асимметрии. Но его мохшо выполнить на транзисторах, у которых при пассивном запирании время рас сасьшания избыточных носителей не превышает 15% от периода преобразования. В вариант конвертора на фиг. 3, в отличие от изображенного на фиг. 1, введены дополнительными диодами 26 и 27, а обмотки 18 и 19 индуктивного злемейта размещены на двух сердечниках 28 и 29. Рассмотрим особенности работы конвертора, представленного на фиг. 3. При открытом тран 1зисторе 4 через его эмиттерный переход и диод 21 к дросселю 29 приложено напряжение обмотки 16, под действием которого его сердечник перемагничивается в прямом направлении. В это же время сердечник дросселя 28 перемагничивается в обратном направлении под действием напряжения обмотки 15, J OДIcлючeннoй к дросселю через диод 26 и резистор 22. Сопротивление последнего должно быть таким, чтобы перемапшчивание сердечника дросселя 28 заканчивалось тогда, когда его магнитная индукция достигнет значения, соответствующего приблизительно середине-участка - Вf ;-B l петли гистерезиса материала сердечника (здесь Бр остаточная индукция, В - индукция насыщения) Когда сердечник дросселя 29 насыщается, от обrj-. .. .. Т . мотки 16 через диод 21 следует мощный импуль тока, вызывающий интенсивное запирание транзистора 4. При открытом транзисторе 3 через его эмиттерный переход и диЬд 20 к Дросселю 28 приложено напряжение обмотки 15, а через диод 27 и резистор 23 к фосселю 29 .- напряжение обмотки 16, в результате чего сердечник первого дросселя перемагничивается в прямом найравленин, а сердечник второго - в обратном направлении. Резистор 23 должен позволять в 1фоцессе регулировки устанавливать начальное значение магнитной индукции дросселя 29 в любой точке петли гистезйса между Е1 и-Вд. Вариант конвертора на фнг. 3 следует выполнять, когда необходимо применить транзисторы, требующие интенсивное активное запирание и им ющее относительно большой разброс по времени рас;сасывания избыточных носителей. При высоком входном напряжении 200-350 В в некоторых случаях необходимо применение мостового конвертора так как максимальное коллекторное напряжение его транзисторов, как и в полумостовом конверторе, не превышает величшо) входного напряжения, но в сравнении с последним при всех прочих равньгх условиях позволяет на выходе в два раза большую моишость. Наиболее просто и рационально в нем реализовать идею по устранению асимметрии, примененную в полумостовом конверторе по фиг. 3.. Двухтактный конвертор, изображенный на фиг. 4, содержит четыре транзистора 3, 4, 30 и 31, включенных по схеме транзисторного моста; трансформатор 6, имеющий первичную обмотку 7, зашунтированную конденсаторам 5 и включенную в диагональ моста, вторичную обмотку 8, подсоединенную к выпрямителю 9 емкостным фильтром 10, четыре обмотки положительной обратной связи 11, 12, 32 и 34, подключешше через резисторы. 13,. 14, 34 и 35 к эмиттерным переходам транзисторов, четыре дополнительных обмотки 15, 16, 36 и 37, две одинаковых двухобмоточных частотозадающих дросселя 17 и 38 с равным числом витков в каждой обмбтке, причем обмотки 18 и 19 дросселя 17 через дополнительные обмотки 15 и 37 и разделительные диоды 20 и 39 подключены к змиттерным переходам транзисторов 3 и 31 противополовых плеч.моста, а обмотка 40 и 41 дросееия 38 через дополнительные обмотки 36, 16 и разделительные диоды 42,. 21 - к эмиттерным переходам транзисторов 30 и 4; две цепочки, каждая из ; которых состоит из диода 26 (27) и резистора 22. (23).. Рассмотрим основные особенности работы данного конвертора, связанные в основном с процессом перемагничивания сердечников дроссе лей. При открытых транзисторах 30 и 4 сер„ V. ГТ -- - л дечник дросселя 38 перемагничивается в прямом направлении со стороны обмотки, подключенной к транзистору, имеющему меньшее прямое напряжение змиттерного перехода. Так, Например, если транзистор 4 имеет меньшее значение указанного напряжения, то диод 42 заперт, а сердечник дросселя 38 перемагничивается под действием напряжения обмотки 16, подключенной к обмотке 41 через диод 21 и эмиттерный переход транзистора 4. В это же время сердечник дросселя 17 перемагничивается в обратном направлении под действием напряжения обмотки 37, приложенного к обмотке 19 через диод 26 и резистор 22. В мо.мент насыщения сердечника дросселя 38 откры-. вается диод 42 и через эмйттернще переходы транзисторов 30 и 4 проходят синхронно от эбмоток 36 и 16 , мощные импульсы тока, вызывающие интенсивное запирание указанных транзисторов. При открытых транзисторах 3 и 31 сердечник дросселя 17 перемагничивается в прямом направлении со стороны либо обмотки 18, либо обмотки 19, а сердечник дросселя 38 - в обратном направлении под действием напряжения обмотки 16, подключе1шой к обмотке 41 через диод 27 и резистор 23. В остальном процессы, происходящие в данном конверторе, такие же, как ив конверторе по фиг. 3.:

Формулаизобретения

1.Двухтактный конвертор, содержащий мост одно плечо которогр образовано транзисторами, а другое конденсаторами, трансформатор, первична обмотка которого включена в диагональ моста, вторичная - через выпрямитель и емкостньш фильтр подсоединена. к выходным выводам конвертора, а обмотки положительной обратной связи - через базовые резисторы подключены к базо-змиттерным переходам соответствующих транзисторов, даухобмоточный частотозадающий индуктивный злемент, обмотки которого связаны через разделительные диоды

и дополнительные обмотки трансформатора с указанными базо-змиттерными переходами,О тличающийся тем, что, с целью упрощения схемы и расщирения диапазона регулировки при одновременном устранении асимметрии, параллельно первичной обмотке трансформатора включен конденсатор, а каждая обмотка индуктивного элемента связана с резистором, причем по меньщей мере один из них является регулируемым.

2.Конвертор по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что указанная связь осуществлена

. Через два дополнительно введенных резистора, каждый из которых включен последовательно с обмоткой упомянутого индз стивного элемента.

3.Конвертор по п. 1; о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при использовании в нем транзисторов с пассивным запиранием в качестве

. базовых резисторов использованы потенциометры, средние выводы которых через упомянутые разделительные диоды и обмотки дросселя подключены к эмиттерам транзисторов соответствующих плеч конвертора.

4.Конвертор по п. 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, при использовании в нем транзисторов с активным запиранием обмотки индуктивного элемента размещены на двух сердечниках, а конвертор снабжен дополнительными диодами, каждый из которых одним концом ; соединен с общей точкой соединения одного вывода соответствующей обмотки индуктивно- го элемента и разделительного диода, а другим - через один из введенных резисторов и упомянутую дополнительную обмотку с другим выводом обмотки индуктивного элемента.

Приоритет по п. 3 исчислять с 08.12.75, по П.4-С 23,02.76.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Радиотехника, 1968, т. 23, № 8,с. 66-69.

2.Заявка № 2135686/07 от 20.05.75, по которой принято рещение о выдаче авторского свидетельства.

3.Заявка № 2166576/07 от 18.08.75, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства.

3

(puz.f

./

5

Д

2

(

-CZh

/f:/

фиг.}