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 =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 последовательно с первым и вторым выходами задающего генератора, 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 коммутатора тока на биполярных транзисторах, подключенных коллекторами к резисторам, а эмиттерами - к базам силовых биполярных транзисторов, два резистора, подсоединенные параллельно база-эмиттерным переходам силовых биполярных транзисторов, два резистора, включенные между базами биполярных транзисторов вновь введенных коммутаторов тока и отрицательным выводом источника питания, два резистора, включенные между базами биполярных транзисторов вновь введенных коммутаторов тока и коллекторами силовых биполярных транзисторов противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный инвертор с внешним возбуждением дополнительно содержит два коммутатора тока, включенных между выходами задающего генератора и базами силовых биполярных транзисторов, и управляемые напряжением коллектора 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 и переход коллектор-эмиттер биполярного транзистора 3 коммутатора тока 4 подключен к базе силового биполярного транзистора 5, параллельно база-эмиттерному переходу которого подключен резистор 6. База биполярного транзистора 3 коммутатора тока 4 через резистор 7 соединена с отрицательным выводом -U источника питания, а через резистор 8 - с коллектором силового биполярного транзистора 9 противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением. Эмиттер силового биполярного транзистора 5 присоединен к отрицательному выводу -U источника питания.
Второй выход задающего генератора 1 через резистор 10 и переход коллектор-эмиттер биполярного транзистора 11 коммутатора тока 12  подключен к базе силового биполярного транзистора 9, параллельно база-эмиттерному переходу которого подключен резистор 13. База биполярного транзистора 11 коммутатора тока 12  через резистор 14 соединена с отрицательным выводом -U источника питания, а через резистор 15 - с коллектором силового биполярного транзистора 5 противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением. Эмиттер силового биполярного транзистора 9 присоединен к отрицательному выводу -U источника питания. К выводам коллекторов силовых биполярных транзисторов 5 и 9 присоединены первичные обмотки 16 и 17 соответственно выходного трансформатора 18, который также содержит выходную обмотку 19.
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). Биполярный транзистор 3 коммутатора тока 4 открывается в момент времени t (фиг. 4), когда напряжение на коллекторе силового биполярного транзистора 9 противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением близко к максимальному (фиг. 5, момент времени t). В этот момент времени через резистор 2 начинает протекать ток от первого выхода задающего генератора 1 через переход коллектор-эмиттер биполярного транзистора 3 коммутатора тока 4 в базу силового биполярного транзистора 5 и через резистор 6. Момент открывания биполярного транзистора 3 коммутатора тока 4 определяется соотношением сопротивлений резисторов 8 и 7, а также напряжением на коллекторе силового биполярного транзистора 9. От положительного вывода +U источника питания через первичную обмотку 16 выходного трансформатора 18, через коллекторно-эмиттерный переход открытого силового биполярного транзистора 5 начинает протекать ток к отрицательному выводу -U источника питания.
3
2
1
4
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). Биполярный транзистор 11 коммутатора тока 12 открывается в момент времени t (фиг. 6), когда напряжение на коллекторе силового биполярного транзистора 5 высокочастотного инвертора с внешним возбуждением станет близко к максимальному (фиг. 7, момент времени t). В этот момент времени через резистор 10 начинает протекать ток от второго выхода задающего генератора 1 через переход коллектор-эмиттер биполярного транзистора 11 коммутатора тока 12 в базу силового биполярного транзистора 9 и через резистор 13. Момент открывания биполярного транзистора 11 коммутатора тока 12 определяется соотношением сопротивлений резисторов 15 и 14, а также напряжением на коллекторе силового биполярного транзистора 5. От положительного вывода +U источника питания через первичную обмотку 17 выходного трансформатора 18, через коллекторно-эмиттерный переход открытого силового биполярного транзистора 9 начинает протекать ток к отрицательному выводу - U источника питания.
5
вых
В момент времени t (фиг. 2 и фиг. 3) уровни напряжений на первом и втором выходах задающего генератора изменяются на противоположные, и все процессы повторяются. В процессе работы силовых биполярных транзисторов 5 и 9 первичные обмотки 16 и 17 поочередно подключаются к источнику питания через открытые переходы коллектор-эмиттер силовых биполярных транзисторов 5 и 9 соответственно, и на выходной обмотке 19 выходного трансформатора 16 появляется выходное переменное напряжение U (фиг. 8).
В высокочастотном инверторе с внешним возбуждением применены транзисторы типа КТ825А (силовые биполярные транзисторы 5 и 9) и транзисторы типа КТ503Б (биполярные транзисторы 3 и 11 коммутаторов тока 4 и 12 соответственно).
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 силовых биполярных транзисторов.