Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в мощных импульсных преобразователях напряжения для питания различных радиотехнических устройств.
Известно устройство двухтактного усилителя мощности (Источники питания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986, с. 364-365, рис. 9.12), содержащее инвертор с входным и выходным трансформаторами и двумя биполярными транзисторами, работающими в ключевом режиме, вторичная обмотка входного трансформатора выполнена с отводом от середины, с каждой половины которой противофазные сигналы управления подаются на базы биполярных транзисторов, к коллекторам которых подключены выводы первичной обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к положительному выводу источника питания, вторичная обмотка выходного трансформатора выполнена с отводом от середины и образует с двумя диодами двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к входу LC-фильтра с нагрузочным резистором на его выходе.
Однако известное устройство двухтактного усилителя мощности характеризуется низкой надежностью, так как схема управления не обеспечивает необходимую временную задержку во время переключения транзисторов, что приводит к кратковременному увеличению потребления тока от источника питания в момент переключения, то есть в момент открытого состояния обоих транзисторов, повышению рассеиваемой на них мощности, и, в итоге, к снижению КПД и надежности.
Известен преобразователь, равный 12V/~220V (журнал «Радиоконструктор», 1999, №5, с. 27), содержащий инвертор на биполярных транзисторах, работающих в ключевом режиме, и управляемый от задающего генератора на логической микросхеме. К коллекторам выходных биполярных транзисторов подключены выводы первичной обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к положительному выводу источника питания.
Однако данный преобразователь характеризуется низкой надежностью, так как его схема управления не обеспечивает временную задержку во время переключения транзисторов, что приводит к кратковременному увеличению потребления тока от источника питания в момент переключения, то есть в момент открытого состояния обоих транзисторов, повышению рассеиваемой на них мощности, и, в итоге, к снижению КПД и надежности.
Известен преобразователь напряжения (А.С. СССР №760352, МПК H02M 7/515, опубл. 30.08.1980, Бюл. № 24), содержащий задающий генератор и подключенный к нему через трансформатор усилитель мощности, собранный на двух транзисторах по двухтактной схеме, база каждого из транзисторов соединена с коллектором транзистора противоположного плеча через цепочку, образованную последовательно соединенными конденсатором и одним диодом, к общей точке соединения которых подключен катод другого диода, анод которого подключен к точке соединения эмиттеров указанных транзисторов.
Недостатком данного преобразователя напряжения является недостаточно высокая надежность, так как длительность временной задержки во время переключения транзисторов зависит от емкости конденсаторов, что приводит в случае различия емкости конденсаторов к неодинаковому времени открытого состояния транзисторов, что приводит к подмагничиванию магнитопровода выходного трансформатора и снижению надежности преобразователя.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является высокочастотный инвертор с внешним возбуждением (Ромаш Э.М., Драбович Д.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М.: Радио и связь, 1988, стр. 121-122, рис. 4.23), состоящий из задающего генератора, входного трансформатора, содержащего две выходные обмотки, подключенные одним концом к базам биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме, а вторым концом через обмотки насыщающегося трансформатора и резисторы - к эмиттерам биполярных транзисторов. Вторые концы выходных обмоток входного трансформатора также подключены к эмиттерам биполярных транзисторов через цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и резистора. Обмотки обратной связи силового трансформатора подключены через диоды к переходам база-эмиттер биполярных транзисторов. К коллекторам выходных биполярных транзисторов подключены выводы первичных обмоток выходного трансформатора, точка соединения которых подключена к положительному выводу источника питания. В данном высокочастотном инверторе с внешним реализована задержка открывания биполярных транзисторов с помощью насыщающегося трансформатора.
Недостатком данного высокочастотного инвертора с внешним возбуждением является недостаточная точность определения момента полного запирания его транзисторов, которая в основном определяется параметрами насыщающегося трансформатора, к характеристикам магнитопровода которого предъявляются повышенные требования из-за наличия большого разброса магнитных характеристик магнитопровода, и который определяет время задержки включения транзистора противоположного плеча высокочастотного инвертора, причем обмотки обратной связи вклада в отслеживание состояния транзистора практически не вносят из-за плавного уменьшения напряжения на них в процессе запирания транзистора.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, обеспечивающего автоматическую задержку открывания силовых биполярных транзисторов в одном плече только после полного запирания силовых биполярных транзисторов в другом плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Технический результат - увеличение надежности высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента полного запирания силового биполярного транзистора в противоположном плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Технический результат достигается за счет того, что в высокочастотный инвертор с внешним возбуждением, содержащий задающий генератор, два силовых биполярных транзистора, эмиттеры которых присоединены к отрицательному выводу источника питания, два резистора, включенных между первым и вторым выходами задающего генератора и базами силовых биполярных транзисторов, выходной трансформатор с двумя первичными и вторичной обмотками, выводы первичных обмоток соединены с коллекторами силовых биполярных транзисторов, точка соединения первичных обмоток подключена к положительному выводу источника питания, дополнительно введены два трансформатора тока, включенных в цепь эмиттеров силовых биполярных транзисторов, два электронных ключа, включенных межу выводами базы силовых биполярных транзисторов и отрицательным выводом источника питания, входы управления электронных ключей подключены к выходам трансформаторов тока противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный инвертор с внешним возбуждением дополнительно содержит два транзисторных ключа, включенных между базой силовых биполярных транзисторов и отрицательным выводом источника питания, управляемые трансформаторами тока, включенными в цепи эмиттеров силовых биполярных транзисторов противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, чем, в отличие от прототипа, достигается включение силового биполярного транзистора в одном плече сразу же после полного выключения силового биполярного транзистора в противоположном плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
На фиг. 1 изображена схема высокочастотного инвертора с внешним возбуждением. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены временные диаграммы напряжений соответственно на первом и втором выходах задающего генератора. На фиг. 4 приведена временная диаграмма тока коллектора силового биполярного транзистора 3. На фиг. 5 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 3. На фиг. 6 приведена временная диаграмма тока коллектора силового биполярного транзистора 9. На фиг. 7 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 9. На фиг. 8 приведена временная диаграмма выходного напряжения высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, на двух выходах которого имеются импульсные последовательности в форме меандра, сдвинутые по фазе одна относительно другой на 180 градусов. Первый выход задающего генератора 1 через резистор 2 соединен с базой силового биполярного транзистора 3, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом -U источника питания через трансформатор тока 4. Первичная обмотка 5 выходного трансформатора 6 подключена к коллектору силового биполярного транзистора 3. Между выводом базы силового биполярного транзистора 3 и отрицательным выводом -U источника питания подключен электронный ключ 7. Второй выход задающего генератора 1 через резистор 8 соединен с базой силового биполярного транзистора 9, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом -U источника питания через трансформатор тока 10. Первичная обмотка 11 выходного трансформатора 6 подключена к коллектору силового биполярного транзистора 9. Между выводом базы силового биполярного транзистора 9 и отрицательным выводом -U источника питания подключен электронный ключ 12. Выход трансформатора тока 4 подключен к входу электронного ключа 12, а выход трансформатора тока 10 подключен к входу электронного ключа 7. Выходной трансформатор 6 имеет выходную обмотку 13.
1
1
2
2
2
Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением работает следующим образом. В момент времени t на первом выходе задающего генератора 1 появляется высокий уровень напряжения U (фиг. 2), на втором выходе задающего генератора 1 появляется низкий уровень напряжения U (фиг. 3). В момент времени t (фиг. 4) ток коллектора силового биполярного транзистора 9 высокочастотного инвертора с внешним возбуждением станет близким к нулю (фиг. 6, момент времени t), в этом случае выходной ток трансформатора тока 10 также станет близок к нулю, и электронный ключ 7 закроется. В этот момент времени через резистор 2 начинает протекать ток в базу силового биполярного транзистора 3, и он открывается, и ток от положительного вывода источника питания +U начинает течь через первичную обмотку 5 выходного трансформатора 6, коллекторно-эмиттерной переход силового биполярного транзистора 3, через трансформатор тока 4 к отрицательному выводу источника питания -U. Выходной ток трансформатора тока 4 втекает в электронный ключ 12, и открывает его. Открытый электронный ключ 12 шунтирует база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 9, препятствуя его включению.
3
2
1
4
В момент времени t на втором выходе задающего генератора 1 появляется высокий уровень напряжения U (фиг. 3), на первом выходе задающего генератора 1 появляется низкий уровень напряжения U (фиг. 2). В момент времени t (фиг. 4) ток коллектора силового биполярного транзистора 3 высокочастотного инвертора с внешним возбуждением станет близким к нулю, в этом случае выходной ток трансформатора тока 4 также станет близок к нулю, и электронный ключ 12 закроется. В этот момент времени ток через резистор 8 начинает протекать в базу силового биполярного транзистора 9, и он открывается, и ток от положительного вывода источника питания +U начинает течь через первичную обмотку 11 выходного трансформатора 6, коллекторно-эмиттерной переход силового биполярного транзистора 9, через трансформатор тока 10 к отрицательному выводу источника питания -U. Выходной ток трансформатора тока 10 втекает в электронный ключ 7, и открывает его. Открытый электронный ключ 7 шунтирует база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 3, препятствуя его включению.
5
вых
В момент времени t (фиг. 2 и фиг. 3) уровни напряжений на первом и втором выходах задающего генератора изменяются, и все процессы повторяются. В процессе работы силовых биполярных транзисторов 3 и 9 первичные обмотки 5 и 11 поочередно подключаются к источнику питания через переходы коллектор-эмиттер силовых биполярных транзисторов 3 и 9 соответственно, и на выходной обмотке 13 выходного трансформатора 5 появляется выходное переменное напряжение U (фиг. 8).
В высокочастотном инверторе с внешним возбуждением применены транзисторы типа КТ825А (силовые биполярные транзисторы 3 и 9) и электронные ключи на транзисторах типа КТ503Б.
Таким образом, предлагаемый высокочастотный инвертор с внешним возбуждением обеспечивает автоматическую задержку открывания силовых биполярных транзисторов в каждом плече только после запирания силового биполярного транзистора в его другом плече, что позволяет увеличить выходную мощность и надежность работы высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания транзисторов.