ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ СИНУСОИДАЛЬНОЕ
CONSTANT-TO- ALTERNATING SINUSOIDAL VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в повышенное переменное напряжение синусоидальной формы при разработке различных устройств автоматики, в автомобильной технике.
Известен преобразователь постоянного напряжения в выходное переменное квазисинусоидальное напряжение путем переключения секций первичной обмотки выходного трансформатора с применением в качестве ключей, коммутирующих соответствующие секции первичной обмотки выходного трансформатора, силовых однооперационных тиристоров [1].
Основным недостатком схемы является относительно сложное построение схемы управления. Для того чтобы при реактивном характере нагрузки инвертора сформировать наиболее желаемую форму выходного напряжения требуется установка обратных тиристоров, включаемых параллельно каждому главному тиристору для принудительного запирания.
Известен преобразователь постоянного напряжения в выходное переменное квазисинусоидальное напряжение, у которого выходной трансформатор имеет отводы, расположенные симметрично относительно средней точки, с применением в качестве коммутирующих ключей силовых биполярных транзисторов, шунтированных диодами [2].
Основными недостатками схемы являются необходимость рассасывания заряда неосновных носителей при выключении транзисторов для улучшения динамических характеристик, значительные токи утечки у мощных биполярных транзисторов, уменьшающие область безопасной работы ключа.
В качестве прототипа взят преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение с применением в качестве коммутирующих ключей мощных полевых транзисторов [3].
Недостатком устройства, взятого за прототип, является высокий коэффициент гармоник выходного напряжения на нагрузке, ухудшающий энергетические показатели преобразователя.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение формирования синусоидальной кривой выходного напряжения на нагрузке с малым коэффициентом гармоник при постоянном напряжении на входе, что в конечном итоге улучшает энергетические показатели преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит задающий генератор, выход которого подключен к входу делителя частоты, выходы которого подключены к анодам диодов, катоды которых подключены к затворам MOSFET-транзисторов, стоки которых подключены к отводам первичной обмотки силового выходного трансформатора, средний отвод которой подключен в положительному полюсу источника питания. Согласно изобретению в устройстве преобразования постоянного напряжения в переменное выход генератора подключен к делителю частоты, состоящему из двух двоичных счетчиков, двух декодеров/демультиплексоров, первого и второго диодов и транзисторного инвертора, при этом выходы одного из счетчиков подключены к адресным входам декодеров/демультиплексоров, вход управления первого декодера/демультиплексора подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход управления второго декодера/демультиплексора подключен к выходу транзисторного инвертора, вход которого подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход второго двоичного счетчика подключен к катодам первого и второго диодов, аноды которых подключены к выходам максимальных разрядов соответственно первого и второго декодеров/демультиплексоров, выходы которых подключены к анодам полупроводниковых диодов, катоды которых подключены к затворам силовых полевых транзисторов, коммутирующих соответствующие отводы первичной обмотки выходного силового трансформатора.
На фиг.1 приведена структурная схема построения предлагаемого устройства; на фиг.2 - осциллограмма выходного напряжения преобразователя.
Преобразователь содержит генератор тактовых импульсов 1, выход которого подключен к счетному входу двоичного суммирующего счетчика 2, два декодера/демультиплексора 3 и 4, адресные входы которых подключены к выходу счетчика 2, а входы управления подключены к выходу младшего разряда счетчика 5 и выходу транзисторного инвертора 6 соответственно. Состояние счетчика 5 определяется импульсами напряжения, поступающими на счетный вход через диоды 7 и 8 соответственно с выходов декодеров/демультиплексоров 3 и 4, соответствующих адресной кодовой комбинации 1111. Аноды первой группы диодов 9 подключены к выходам первого декодера/демультиплексора 3, а катоды - к затворам первой группы транзисторных силовых ключей 10, аноды второй группы диодов 11 подключены к выходам второго декодера/демультиплексора 4, а катоды - к затворам второй группы транзисторных силовых ключей 12. Стоки силовых транзисторных ключей 11 и 12 подключены к отводам первичной обмотки силового выходного трансформатора 13. Отводы в первичной обмотке силового трансформатора 13 выполняются так, чтобы обеспечить требуемые коэффициенты трансформации с целью формирования синусоидального выходного напряжения.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. При подаче напряжения питания на преобразователь импульс напряжения с генератора импульсов 1 поступает на счетный вход суммирующего счетчика 2. На выходе счетчика 2 формируется двоичный код, который подается одновременно на адресный вход первого 3 и второго 4 декодеров/демультиплексоров. В зависимости от сигналов, формируемых суммирующим счетчиком 5 и транзисторным инвертором 6, во включенном состоянии может находиться или первый 3, или второй 4 декодер/демультиплексор. Транзисторный инвертор выполнен на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.
Пусть, например, на выходе младшего разряда счетчика 5 сформировано напряжение низкого уровня и включен первый декодер/демультиплексор 3. При этом второй декодер/демультиплексор 4 выключен. В зависимости от входного двоичного кода, формируемого счетчиком 2, на соответствующем выходе первого декодера/демультиплексора 3 появляется импульс напряжения, поступающий через соответствующий диод первой группы диодов 9 на затвор соответствующего силового транзистора первой группы силовых транзисторных ключей 10, реализованных на MOSFET-транзисторах. Открытый силовой ключ обеспечивает протекание тока от источника через соответствующую часть первичной полуобмотки силового трансформатора 13.
Следующий счетный импульс, формируемый генератором 1, изменяет состояние счетчика 2 на единицу и подключает следующий выход первого 3 декодера/демультиплексора через соответствующий диод первой группы диодов 9 к затвору следующего силового транзистора первой группы силовых транзисторных ключей 10, обеспечивая протекание тока через следующую часть первичной полуобмотки силового трансформатора 13.
Когда счетный импульс, формируемый генератором 1, изменяет состояние двоичного счетчика 2 так, что на его выходе и на адресных входах первого декодера/демультиплексора 3 формируется максимальный двоичный код 1111, активизируется последний шестнадцатый выход первого декодера/демультиплексора 3. Через соответствующий диод первой группы диодов 7 импульс напряжения подается к затвору силового транзистора первой группы 10, обеспечивая протекание тока через соответствующую часть первичной полуобмотки силового трансформатора 13. Процесс формирования первой полуволны квазисинусоидального выходного напряжения на нагрузке заканчивается. Одновременно с этим, импульсом напряжения через диод 7 изменяется состояние двоичного счетчика 5. На выходе младшего разряда счетчика 5 формируется напряжение высокого уровня, а на выходе транзисторного инвертора 6 - напряжение низкого уровня. Происходит отключение первого 3 и включение второго 4 декодера/демультиплексора. Теперь счетные импульсы, формируемые генератором 1, изменяют состояние счетчика 2 и подключают выходы второго 4 декодера/демультиплексора через соответствующие диоды второй группы 11 к затворам силовых транзисторов второй группы 12, обеспечивая протекание тока через соответствующие части первичной полуобмотки силового трансформатора 13. Процессы происходят до окончания формирования второй полуволны квазисинусоидального выходного напряжения на нагрузке.
Когда состояние двоичного счетчика 2 изменяется так, что на его выходе и на адресных входах второго декодера/демультиплексора 4 формируется максимальный двоичный код 1111, активизируется последний шестнадцатый выход второго декодера/демультиплексора 4. Импульсом напряжения через диод 8 изменяется состояние двоичного счетчика 5. На выходе младшего разряда счетчика 5 формируется напряжение низкого уровня, а на выходе транзисторного инвертора 6 - напряжение высокого уровня.
Далее вновь формируется первая полуволна и процессы повторяются.
Сформированное выходное напряжение преобразователя показано на фиг.2.
Практическая реализация изобретения выполнена с применением в качестве генератора импульсов 1 микросхемы интегрального таймера NE555; в качестве суммирующего счетчика 2 и счетчика схемы управления 10 применена микросхема CD4520 (1 шт.); в качестве декодеров/демультиплексоров 3 и 4 были применены микросхемы LOCMOS типа HEF4514B фирмы Philips, позволяющие сформировать 16 интервалов каждой полуволны выходного напряжения; в качестве диодов первой 5 и второй 6 групп и диодов 12 и 13 применены диоды типа 1N4001 (34 шт.); в качестве силовых ключей первой 7 и второй 8 групп применены n-канальные MOSFET-транзисторы типа IRFZ44N (16 шт.); в качестве трансформатора 9 применен тороидальный силовой трансформатор мощностью 300 Вт с отводами, позволяющими сформировать на выходе квазисинусоидальное выходное напряжение; транзисторный инвертор выполнен на транзисторе КТ315Б.
Литература
1. Рама Редди С. Основы силовой электроники / С.Рама Редди. - Москва.: Техносфера, 2006. - 288 с.
2. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи / B.C.Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с: ил.
3. Локсеев О. Преобразователь 12/220 В / О.Локсеев // Радиолюбитель. - 2000. - №7.