Преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1981 года по МПК H02M7/537 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к области элект ротехники, в частности к статическим преобразователям напряжения, и может быть применено при разработке источников питания электротехнических устройств малой и средней мощности.

Известны преобразователи напряжения 1 и 2, состоящие из двух транзисторов, выходного трансформатора с обмотками, включенными в коллекторные и базовые цепи транзисторов и времязадающего конденсатора, определяющего длительность открытого jg (закрытого) состояния каждого из транзисторов, а следовательно, и частоту работы преобразователя.

Такие устройства просты в схемном исполнении, достаточно технологичны в производстве, так как имеют лищь один трудоем- is кий в изготовлении элемент - транс(орматор, и обеспечивают облегченный режим работы транзисторов и трансформаторов за счет перемагничивания его сердечника по частному циклу, а не по полной петле кривой намагничивания.20

Основной недостаток преобразователей этого типа, ограничивающий максимальную выходную мощность и максимальную выходную частоту (даже при использовании высокочастотных транзисторов), обусловлен значительными потерями в транзисторах на переключение.

Известно, что процесс переключения транзисторов в таких преобразователях начинается открыванием запертого, что вызывает рост коллекторного тока в обоих транзисторах до величины, когда открытый транзистор выходит из насыщенного состояния. После этого начинается регенеративный процесс опрокидывания. В результате каждый момент переключения сопровождается значительными всплесками коллекторных токов, причем у запирающегося транзистора этот всплеск сопровождается переходом транзистора из режима насыщения в активный и запирания его в этом режиме, т. е. со значительными выделениями мощности потерь в эти моменты. С ростом выходной частоты эти потери мощности становятся недопустимыми.

Исключение составляет преобразователь напряжения 3, в котором запирание открытого транзистора происходит за счет экспоненциального снижения базового тока. Однако данный преобразователь напряжеия имеет ряд других недостатков: сущестенная зависимость частоты генерации от нагрузки и коэффициента усиления транзисторов, наличие подмагничивания выходного трансформатора при неравенстве коэффициентов усиления транзисторов, а также возможность насыщения выходного трансформатора при отсутствии нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразоваель напряжения 4, содержащий силовые ранзисторы, коллекторы которых подключены к первичной обмотке выходного трансорматора, средняя точка которой подклюена к одному из входных выводов, эмиттеры присоединены к второму входному выводу, а базы связаны между собой через послеовательную цепь, состоящую из конденсатора и одной из вторичных обмоток выходного трансформатора, времязадающие резисторы присоединены к концам этой цепи, а также связаны с обмоткой управления.

Данный преобразователь напряжения имеет более простое схемное построение по сравнению с известными устройствами 11/2, а также лишен недостатков устройства 3, однако коммутационные потери мощности при переключении транзисторов в нем велики по указанной выще причине. Это явление, в конечном счете, выражается в увеличенных габаритах и массе преобразователя напряжения.

Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей преобразователя напряжения за счет снижения коммутационных потерь мощности в силовых элементах.

Эта цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения 4 введены два транзистора и два диода, причем силовая цепь транзистора присоединена параллельно управляющему переходу соответствующего силового транзистора, и между базами транзисторов включена выщеуказанная цепь из времязадающего конденсатора и одной из вторичных обмоток трансформатора с времязадающими резисторами по концам этой цепи, а необъединенные выводы времязадающих резисторов присоединены через диоды к концам обмотки управления, имеющей среднюю точку, подключенную к второму входному выводу.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема преобразователя напряжения.

Преобразователь содержит силовые транзисторы 1, 2, выходной трансформатор 3 с двумя первичными 4, 5 и двумя вторичными 6, 7 обмотками; маломощные транзисторы 8, 9, резисторы 10, 11, времязадающий конденсатор 12, времязадающие резисторы 13, 14, диоды 15, 16, входные выводы 17, выходные выводы 18 нагрузки.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы напряжений и токов на основных элементах преобразователя напряжения, где

f. - напряжение на времязадающем конденсаторе;

1/1 - напряжение на переходе коллекторg эмиттер силового транзистора 1 (2); tif - ток базы силового транзистора 1 (2);

|7|(й- напряжение на переходе база-эмиттер

g маломощного транзистора 8 (9); )-ток базы маломощного транзисто ра8(9); Т - период автоколебаний; Atn. - длительность переключения маломощных транзисторов;

tj - длительность задержки при запирании

силового транзистора. Первичные обмотки 4, 5 трансформатора 3 периодически подключаются к источнику постоянного напряжения 17 силовыми транзисторами 1., 2. Коллекторные и базовые выводы силовых транзисторов св:язаны между собой по перекрестной схеме через резисторы 10, 11. Управление силовыми транзисторами осуществляется с помощью двух

маломощных транзисторов 8, 9, подключенных параллельно переходу база-эмиттер соответствующего силового транзистора 1 (2). Между базовыми выводами маломощных транзисторов подключены последовательно

соединенные времязадающий конденсатор 12 и одна из вторичных обмоток 6 трансформатора. Для обеспечения перезаряда времязадающего конденсатора предусмотрена вторая вторичная обмотка управления со средней точкой, полуобмотки которой через диоды 15(16) и времязадающие резисторы 13(14) присоединены к базам транзисторов 8 (9). Средняя точка обмотки 7 объединена с эмиттерами всех транзисторов.

работа устройства происходит следующим образом.

При подаче питающего напряжения от источника 17 по базам силовых транзисторов 1, 2 начинают протекать токи, величина которых ограничивается резисторами 10, 11. Транзисторы 8, 9 закрыты из-за отсутствия

напряжения на вторичных обмотках 6 и 7 трансформатора 3. Силовые транзисторы приоткрываются, подключая обмотки 4, 5 трансформатора к источнику постоянного напряжения 17. Ввиду существующего разброса частотных характеристик один из транзисторов приоткрывается раньще другого. В результате к обмоткам 4, 5 прикладывается асимметричное напряжение и трансформатор начинает перемагничиваться. На его вторичных обмотках наводится напряжение, полярность которого выбрана (за счет соответствующего подключения концов вторичных обмоток) таким образом, что напряжение на обмотке 6, воздействуя на базовые цепи маломощных транзисторов 8, 9, способствует возникновению больщей асимметрии напряжения на обмотках 4, 5. При этом один из маломощных транзисторов открывается, запирая по цепи базы тот силовой транзистор, который был менее приоткрыт.

Описанный процесс носит регенеративный характер, т. е. является кратковременным. В результате один из силовых транзисторов, например транзистор 1, оказывается открытым, а другой - закрытым. В соответствии с принятым условием маломощный транзистор 9 открыт напряжением, наводимым на вторичных обмотках 6, 7 трансформатора, а маломощный транзистор 8 закрыт.

По окончании регенеративного процесса включения начинается перемагничиванйе сердечника трансформатора 3 напряжением, приложенным к его обмотке 4, и заряд времязадающего конденсатора 12 током по цепи: полуобмотка 7 трансформатора 3, диод 15, времязадающий резистор 13, обмотка 6, конденсатор 12 и переход базаэмиттер транзистора 9, насыщая последний. В свою очередь, открытый транзистор 9 своим низкоомным переходом коллектор-Эмиттер надежно шунтирует переход база-эмиттер силового транзистора 2, способствуя его надежному запиранию. Конденсатор заряжается до тех пор, пока напряжение на нем по величине не сравняется с напряжением на обмотке 6. В этот момент начинается коммутация тока из цепи базы открытого транзистора 9 в цепь базы закрытого транзистора 8. Появивщимся током i 8 транзистор 8 открывается и щунтирует переход база-эмиттер силового транзистора 1, а транзистор 9 закрывается.

Однако вследствие избыточности носителей в базовой области транзистора 1, он остается открытым некоторое время t 3 после отпирания транзистора 8 до полного их рассасывания. Затем транзистор 1 лавинообразно закрывается, на его коллекторе появляется напряжение, которое благодаря закрывшемуся транзистору 9 прикладывается через резистор 10 к переходу база-эмиттер транзистора 2.

В результате обмотка 4 трансформатора оказалась отключенной от источника 17, а обмотка 5 - подключенной к нему. Сердечник трансформатора перемагничивается в обратную сторону, а на его обмотках полярность напряжения изменяется на обратную. Состояние транзисторов 8 и 9 при этом не изменяется, только на базе закрытого транзистора 9 увеличивается запирающее напряжение до величины, равной сумме напряжений на обмотке б и конденсаторе 12, который теперь перезаряжается по второй цепи: полуобмотка 7, диод 16, времязадающий резистор 14, конденсатор 12, обмотка 6 и переход база-эмиттер транзистора 8.

По истечении времени, рав«ого полупериоду выходной частоты преобразователя, напряжение на конденсаторе, изменив свой знак, вновь достигает величины, равной напряжению на обмотке 6. В результате появляется и растет по величине ток %, а ток if уменьшается до нуля. Транзистор 9

открывается, а транзистор 8 запирается. Затем после рассасывания носителей запирается транзистор 2, а под действием его коллекторного напряжения через резистор 11 (транзистор 8 закрыт) по переходу базаэмиттер транзистора 1 начинает п{Х)текать ток, который открывает его до состояния насыщения.

Произощло отключение обмотки В и подключение обмотки 4 трансформатора к источнику 17, т. е. схема прищла в первоначальное состояние. Далее работа преобразователя повторится в описанной последовательности.

Нагрузка 18 может быть подключена либо непосредственно к вторичной обмотке 7,

. либо к дополнительной обмотке трансформатора 3, если это необходимо по условиям гальванической развязки.

В данном устройстве за счет введения двух маломощных транзисторов и диодов и их соответствующего подключения исклю0 чей режим одновременного отпирания силовых транзисторов и связанный с ним всплеск их коллекторных токов в процессе переключения, имеющий место в известных устройствах с времязадающим конденсатором. Тем самым устранены дополнительные потери мощности в силовых транзисторах и выходном трансформаторе. Вследствие этого могут быть уменьшены габариты и вес радиаторов силовых транзисторов, а также габариты и вес трансформатора за счет

Q возможного увеличения выходной частоты преобразователя.

Следует заметить, что отсутствие всплесков коллекторных токов благоприятно сказывается и на режиме работы источника 17, так как обеспечивается более равномерный

5 ток нагрузки и устраняются дополнительные потери в сети от высших гармоник тока. Введение дополнительных транзисторов увеличивает коэффициент усиления транзисторных ключей и позволяет варьировать параметры времязадающей RC-цепи независимо от нагрузки с целью обеспечения наивысшей термостабильности выходной частоты автоколебаний, а также с целью унификации схемы преобразователей для ряда выходных мощностей.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовые транзисторы,

коллекторы которых подключены к первичной обмотке выходного трансформатора, средняя точка которой подключена к одному из входных выводов, эмиттеры подсоединены к второму входному выводу, а базы связаны между собой через последовательную цепь,

состоящую из конденсатора и одной из вторичных обмоток выходного трансформатора, времязадающиё резисторы, присоединенные

к концам этой цепи, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей преобразователя, введены два транзистора и два диода, причем силовая цепь транзистора присоединена параллельно управляющему переходу соответствующего силового транзистора, и между базами транзисторов включена выщеуказанная цепь из времязадающего конденсатора и одной из вторичных обмоток трансформатора с времязадающими резисторами по концам цепи, и необъединенные выводы времязадающих резисторов присоединены через диоды

к концам обмотки управления, имеющей среднюю точку, подключенную к второму входному выводу.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Ловущкин В. Н. Транзисторные преобразователи постоянного напряжения. М., «Энергия, 1967, с. 19 - 21.

2.Авторское свидетельство СССР № 194173, кл. Н 02 М 7/48, 1967.

3.Та же книга, с. 19, рис. 1 -13.

4.Авторское свидетельство СССР № 479243, кл. Н 03 К 13/02, 1973.

0 +

Фи&.1