Полумостовой инвертор с внешним возбуждением

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в мощных импульсных преобразователях напряжения для питания различных радиотехнических устройств.
Известен преобразователь постоянного напряжения (Патент РФ №2007831, МПК H02M 7/538, опубл. 15.02.1994), содержащий двухтактный полумостовой ключевой усилитель на биполярных транзисторах, трансформатор тока с первичной обмоткой, двумя вторичными и дополнительной обмотками, и управляющий каскад, выполненный по двухтактной схеме на биполярных транзисторах, управляющий трансформатор, две последовательные цепочки диодов, шунтирующие вторичные обмотки трансформатора тока, и коммутирующие ключи на полевых транзисторах. Биполярные транзисторы двухтактного ключевого усилителя включены по схеме с общей базой, первичная обмотка управляющего трансформатора подключена к выходу управляющего каскада, а выходная обмотка управляющего трансформатора соединена с дополнительной обмоткой трансформатора тока через резистор. Выходные выводы ключевого усилителя подсоединены к первичной обмотке выходного трансформатора, а вторая стойка полумостовой схемы ключевого усилителя образована двумя конденсаторами.
Недостатком преобразователя постоянного напряжения является включение одного биполярного транзистора до момента полного выключения второго биполярного транзистора из-за раннего запирания диодов в цепи дополнительных обмоток, при этом включение коммутирующих ключей на полевых транзисторах в режиме холостого хода происходит до момента полного запирания транзистора, что снижает надежность работы.
Известен полумостовой преобразователь напряжения (Патент РФ №2015613, МПК H02M 7/537, опубл. 30.06.1994), содержащий выполненный по полумостовой схеме двухтактный усилитель мощности с силовыми транзисторами, дозирующий конденсатор, выходной трансформатор, с первичной обмоткой, соединенной последовательно с дозирующим конденсатором и включенную между положительным выводом источника питания и точкой соединения транзисторов, вторичную обмотку, обмотку обратной связи, насыщающийся коммутирующий трансформатор с обмотками, ограничитель тока, резистор запуска, датчик тока, разделительный конденсатор, транзистор ограничения тока, ограничивающий сквозной ток через транзисторы в процессе коммутации.
Недостатком полумостового преобразователя напряжения является включение одного транзистора до момента полного выключения второго транзистора, что приводит к большим коммутационным потерям и повышенному нагреву транзисторов в процессе работы.
Известен преобразователь постоянного напряжения (Патент РФ №119959, МПК H02M 3/337, опубл. 27.08.2012), содержащий две первичные обмотки силового трансформатора, первая их которых своим началом подключена к положительному выводу источника входного постоянного напряжения через первый транзистор, шунтированный встречно-параллельным ему диодом, и также подключена к отрицательному выводу источника входного постоянного напряжения через первый отдельный диод. Вторая первичная обмотка трансформатора своим началом подключена к отрицательному выводу источника входного постоянного напряжения через второй транзистор, шунтированный встречно-параллельным ему диодом, и также к положительному выводу источника входного постоянного напряжения через второй отдельный диод. Концы обеих первичных обмоток присоединены к общей точке последовательно соединенных конденсаторов, подключенных к положительному и отрицательному выводам источника входного постоянного напряжения. Две вторичные обмотки силового трансформатора включены между собой согласно последовательно и образуют с двумя дополнительными диодами двухполупериодную нулевую схему выпрямления со средней точкой, а нагрузка выпрямителя подключена через LC-фильтр. Управление транзисторами производится с помощью схемы управления, которая поочередно отпирает один из транзисторов и одновременно с этим запирает другой транзистор.
Недостатком преобразователя постоянного напряжения является отсутствие контроля за состоянием транзисторов, а также жестко заданная схемой управления временная пауза между запиранием одного транзистора, и отпиранием другого транзистора, что снижает надежность работы и максимальную выходную мощность преобразователя.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является полумостовой нерегулируемый транзисторный двухтактный конвертер (Бас А.А. и др. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - М.: Радио и связь, 1987, с. 70, рис. 3.1), содержащий два биполярных транзистора, соединенные последовательно, входной трансформатор с двумя выходными обмотками, два резистора, включенные последовательно в цепь протекания базового тока биполярных транзисторов, два конденсатора, соединенные последовательно и включенные между положительным и отрицательным выводами источника питания, выходной трансформатор с одной первичной обмоткой, вторичной обмоткой и двумя дополнительными обмотками, два диода, включенные последовательно с дополнительными обмотками и включенные параллельно база-эмиттерным переходам биполярных транзисторов, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке и сглаживающий фильтр, подключенный к выходу выпрямителя.
Недостатком полумостового нерегулируемого транзисторного двухтактного конвертера является включение одного биполярного транзистора до момента полного выключения второго биполярного транзистора из-за раннего запирания диодов в цепи дополнительных обмоток, что снижает надежность работы.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке полумостового инвертора с внешним возбуждением, обеспечивающего автоматическую задержку открывания биполярных транзисторов в одном плече только после полного запирания биполярных транзисторов в другом плече.
Технический результат - увеличение надежности полумостового инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания биполярных транзисторов.
Технический результат достигается за счет того, что в полумостовой инвертор с внешним возбуждением, содержащий входной трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, два биполярных транзистора, верхний биполярный транзистор, присоединенный коллектором к положительному выводу источника питания, выходной трансформатор с входной и выходной обмотками, дополнительно введены резистор, включенный между выводом эмиттера нижнего биполярного транзистора и отрицательным выводом источника питания, резистор, включенный между выводом эмиттера верхнего биполярного транзистора и выводом коллектора нижнего биполярного транзистора, начало одной выходной обмотки входного трансформатора присоединено к выводу базы верхнего  биполярного транзистора, а ее конец - к коллектору нижнего биполярного транзистора, конец второй выходной обмотки входного трансформатора присоединен к выводу базы нижнего биполярного транзистора, а ее начало - к отрицательному выводу источника питания, начало входной обмотки выходного трансформатора присоединено к выводу эмиттера верхнего биполярного транзистора, ее конец через конденсатор соединен с выводом эмиттера нижнего биполярного транзистора, а к выходной обмотке выходного трансформатора присоединена нагрузка.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в полумостовом инверторе с внешним возбуждением резисторы, включенные в цепи эмиттеров биполярных транзисторов, выполняют функции ограничения базового тока биполярных транзисторов, и одновременно являются датчиками тока первичной обмотки выходного трансформатора, которая соединена последовательно с конденсатором и включена между эмиттерами верхнего и нижнего биполярных транзисторов, что позволяет открыть один биполярный транзистор только после окончания тока через второй биполярный транзистор.
На фиг. 1 изображена схема полумостового инвертора с внешним возбуждением.
Полумостовой инвертор с внешним возбуждением (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, к выходу которого подключена первичная обмотка 2 входного трансформатора 3. Конец выходной обмотки 4 входного трансформатора 3 подключен к базе нижнего биполярного транзистора 5, а ее конец подключен к отрицательному выводу -U источника питания. Эмиттер нижнего биполярного транзистора 5 соединен с отрицательным выводом -U источника питания через резистор 6. Начало выходной обмотки 7 подключено к базе верхнего биполярного транзистора 8, а ее конец - к коллектору нижнего биполярного транзистора 5 и нижнему выводу резистора 9. Верхний вывод резистора 9 соединен с эмиттером верхнего биполярного транзистора 8. Начало первичной обмотки 10 выходного трансформатора 11 подключено к эмиттеру верхнего биполярного транзистора 8, а ее конец соединен с верхним выводом конденсатора 12, нижний вывод которого подключен к эмиттеру нижнего биполярного транзистора 5. К выходной обмотке 13 выходного трансформатора 11 подключена нагрузка 14.
1
7
4
9
бэ8
6
бэ5
вых
На фиг. 2 приведена временная диаграмма напряжения U на выходе задающего генератора. На фиг. 3 приведена временная диаграмма напряжения U на выходной обмотке 7 входного трансформатора 3. На фиг. 4 приведена временная диаграмма напряжения U на выходной обмотке 4 входного трансформатора 3. На фиг. 5 приведена временная диаграмма напряжения U на резисторе 9. На фиг. 6 приведена временная диаграмма напряжения U на переходе база-эмиттер верхнего биполярного транзистора 8. На фиг. 7 приведена временная диаграмма напряжения U на резисторе 6. На фиг. 8 приведена временная диаграмма напряжения U на переходе база-эмиттер нижнего биполярного транзистора 5. На фиг. 9 приведена временная диаграмма напряжения U на выходной обмотке 13 выходного трансформатора 11.
1
Полумостовой инвертор с внешним возбуждением работает следующим образом. С выхода задающего генератора 1 переменное напряжение U, имеющее форму меандра, подается на первичную обмотку 2 входного трансформатора 3 (фиг. 2).
1
1
2
1
2
На выходных обмотках 4 и 7 входного трансформатора 3 появляется переменное напряжение. В момент времени t (фиг. 3) на верхнем выводе обмотки 7 появляется положительный потенциал, а на верхнем выводе обмотки 4 (фиг. 4) - отрицательный потенциал, и начинается процесс запирания нижнего биполярного транзистора 5. Процесс запирания нижнего биполярного транзистора 5 происходит в интервале времени (t - t), при этом ток от конденсатора 12 протекает через первичную обмотку 10 выходного трансформатора 11, резистор 9 и коллекторно-эмиттерный переход нижнего биполярного транзистора 5. Напряжение, приложенное между выводами базы и эмиттера верхнего биполярного транзистора 8 в интервале времени t - t, складывается из напряжения обмотки 7 (фиг. 3) и напряжения на резисторе 9 (фиг.5), которые находятся в противофазе:
бэ8
7
9
U = U - U,
бэ8
7
9
где U - напряжение между выводами базы и эмиттера верхнего биполярного транзистора 8, U - напряжение на выходной обмотке 7 входного трансформатора 3, U - напряжение на резисторе 9.
Резистор 9 ограничивает ток базы верхнего биполярного транзистора 8, и одновременно является датчиком тока нижнего биполярного транзистора 5.
2
Ток через коллекторно-эмиттерный переход верхнего биполярного транзистора 8 начинает протекать только после того, как напряжение между выводами его базы и эмиттера увеличится до напряжения отпирания база-эмиттерного перехода (фиг. 6, момент времени t, для кремниевых транзисторов это напряжение приблизительно равно 0,7 В).
3
В момент времени t (фиг. 4) на верхнем выводе обмотки 4 появляется положительный потенциал, а на верхнем выводе обмотки 7 (фиг. 3) появляется отрицательный потенциал, и начинается процесс запирания верхнего биполярного транзистора 8.
3
4
3
4
Процесс запирания верхнего биполярного транзистора 8 происходит в интервале времени (t - t), при этом ток от положительного вывода +U источника питания протекает через коллекторно-эмиттерный переход верхнего биполярного транзистора 8 первичную обмотку выходного трансформатора 11, конденсатор 12, резистор 6 к отрицательному выводу -U источника питания. Напряжение, приложенное между выводами базы и эмиттера нижнего биполярного транзистора 5 в интервале времени (t - t) складывается из напряжения обмотки 4 (фиг. 4) и напряжения на резисторе 6 (фиг. 7), которые находятся в противофазе:
бэ5
4
6
U = U - U,
бэ5
4
6
где U - напряжение между выводами базы и эмиттера нижнего биполярного транзистора 5, U - напряжение на выходной обмотке 4 входного трансформатора 3, U - напряжение на резисторе 6.
Резистор 6 ограничивает ток базы нижнего биполярного транзистора 5, и одновременно является датчиком тока верхнего биполярного транзистора 8.
4
Ток через коллекторно-эмиттерный переход нижнего биполярного транзистора 5 начинает протекать только после того, как напряжение между выводами его базы и эмиттера увеличится до напряжения отпирания база-эмиттерного перехода (фиг. 8, момент времени t, для кремниевых транзисторов это напряжение приблизительно равно 0,7 В).
5
вых
В момент времени t (фиг. 2) полярность напряжения на первичной обмотке 2 входного трансформатора 3 снова изменяется, и все процессы повторяются. В процессе работы инвертора направление тока через первичную обмотку 10 выходного трансформатора 11 при переключении соответственно нижнего и верхнего биполярных транзисторов 5 и 8 изменяется с частотой задающего генератора 1, на выходной обмотке 13 выходного трансформатора 11 появляется выходное переменное напряжение U (фиг. 9), и через нагрузку 14 начинает протекать ток.
В макете полумостового инвертора с внешним возбуждением были применены биполярные транзисторы типа КТ840А.
Таким образом, предлагаемый полумостовой инвертор с внешним возбуждением обеспечивает автоматическую задержку открывания одного биполярного транзистора только после запирания второго биполярного транзистора, что позволяет увеличить надежность работы полумостового инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания биполярных транзисторов.