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 высокочастотный инвертор с внешним возбуждением, содержащий выходной трансформатор, входной трансформатор с входной и двумя выходными обмотками, два силовых биполярных транзистора, к коллекторам которых подключены выводы первичных обмоток выходного трансформатора, точка соединения которых подключена к положительному выводу источника питания, при этом дополнительно содержит два биполярных транзистора, параллельно коллекторно-эмиттерным переходам которых включены диоды в обратном направлении, включенные в цепь протекания базового тока силовых биполярных транзисторов, два резистора, включенные между базой каждого биполярного транзистора и базой силового биполярного транзистора противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, два резистора, включенные между одним из выводов выходных обмоток входного трансформатора и базами силовых биполярных транзисторов, два резистора, включенные между выводами базы и эмиттера силовых биполярных транзисторов, и выходную обмотку выходного трансформатора.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный инвертор с внешним возбуждением дополнительно содержит два биполярных транзистора, включенных последовательно в цепь протекания базового тока от обмотки входного трансформатора, и зашунтированные диодами в обратном направлении для создания запирающего напряжения на база-эмиттерном переходе силового биполярного транзистора, и включаемые обратным напряжением база-эмиттерного перехода силового биполярного транзистора противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, чем, в отличие от прототипа, достигается включение силового биполярного транзистора в одном плече только 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 приведена временная диаграмма напряжения на выходе задающего генератора. На фиг. 3 и фиг. 4 приведены временные диаграммы напряжений на переходах база-эмиттер силовых биполярных транзисторов. На фиг. 5 приведена временная диаграмма выходного напряжения высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.
Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, к выходу которого подключена первичная обмотка 2 управляющего трансформатора 3. Выходная обмотка 4 управляющего трансформатора 3 одним концом подключена через резистор 5 к базе силового биполярного транзистора 6, между базой и эмиттером которого включен резистор 7, а вторым концом выходная обмотка 4 подключена через коллекторно-эмиттерный переход биполярного транзистора 8 к эмиттеру силового биполярного транзистора 6 и отрицательному выводу источника питания -U. Параллельно коллекторно-эмиттерному переходу биполярного транзистора 8 подключен диод 9, подключенный анодом к коллектору биполярного транзистора 8, а катодом - к его эмиттеру. Вывод базы биполярного транзистора 8 подключен через резистор 10 к выводу базы силового биполярного транзистора 11, между базой и эмиттером которого включен резистор 12. Выходная обмотка 13 управляющего трансформатора 3 одним концом подключена через резистор 14 к базе силового биполярного транзистора 11, а вторым концом выходная обмотка 13 подключена через коллекторно-эмиттерный переход биполярного транзистора 15 к эмиттеру силового биполярного транзистора 11 и отрицательному выводу источника питания -U. Параллельно коллекторно-эмиттерному переходу биполярного транзистора 15 подключен диод 16, подключенный анодом к коллектору биполярного транзистора 15, а катодом - к его эмиттеру. Вывод базы биполярного транзистора 15 подключен через резистор 17 к выводу базы силового биполярного транзистора 6. К коллекторам силовых биполярных транзисторов 6 и 11 присоединены первичные обмотки 18 и 19 соответственно выходного трансформатора 20, который содержит выходную обмотку 21.
1
1
1
2
Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением работает следующим образом. С выхода задающего генератора 1 переменное напряжение U, имеющее форму меандра, подается на первичную обмотку 2 управляющего трансформатора 3 (фиг. 2). На выходных обмотках 4 и 13 входного трансформатора 3 появляется переменное напряжение. В момент времени t (фиг. 2) на нижнем выводе обмотки 4 появляется положительный потенциал, а отрицательный потенциал с верхнего вывода обмотки 4 прикладывается к катоду биполярного транзистора 8. Биполярный транзистор 8 управляется потенциалом базы силового биполярного транзистора 11 через резистор 10. В момент времени t начинается процесс запирания силового биполярного транзистора 11, при этом напряжение между выводами базы и эмиттера начинает уменьшаться со скоростью изменения тока коллектора силового биполярного транзистора 11. При полном запирании силового биполярного транзистора 11 (фиг. 4, момент времени t) напряжение между его выводами базы и эмиттера становится отрицательным относительно вывода эмиттера, и это напряжение через резистор 10 отпирает биполярный транзистор 8, при этом начинает протекать ток в базу силового биполярного транзистора 6 по цепи: нижний вывод обмотки 4 - резистор 5 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 6 - эмиттерно-коллекторный переход биполярного транзистора 8 - верхний вывод обмотки 4 входного трансформатора 3.
3
4
4
5
вых
В момент времени t (фиг. 2) изменяется полярность  напряжения на обмотке 2 входного трансформатора 3, при этом полярность напряжения на обмотке 4 входного трансформатора 3 также изменяется, и ток начинает протекать по цепи: верхний вывод обмотки 4 - диод 9 - резистор 7 - резистор 5 - нижний вывод обмотки 4 входного трансформатора 3. В момент времени t (фиг. 3) на база-эмиттерном переходе силового биполярного транзистора 6 устанавливается отрицательное (запирающее) напряжение, вызываемое током, протекающим через резистор 7. В этот момент процесс запирания силового биполярного транзистора 6 заканчивается, и открывается биполярный транзистор 15. В момент времени t (фиг. 4) начинает протекать ток по цепи: нижний вывод обмотки 13 - резистор 14 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 11 - эмиттерно-коллекторный переход биполярного транзистора 15 - верхний вывод обмотки 13 входного трансформатора 3. В момент времени t (фиг. 2) полярность напряжения на первичной обмотке 2 управляющего трансформатора 3 (фиг. 2) снова изменяется, и все процессы повторяются. В процессе работы силовых биполярных транзисторов 6 и 11 первичные обмотки 18 и 19 поочередно подключаются к источнику питания через переходы коллектор-эмиттер силовых биполярных транзисторов 6 и 11 соответственно, и на выходной обмотке 21 выходного трансформатора 20 появляется выходное переменное напряжение U (фиг. 5).
В высокочастотном инверторе с внешним возбуждением применены транзисторы n-p-n типа КТ819ВМ (силовые биполярные транзисторы 6 и 11) и транзисторы p-n-p типа КТ816Б (биполярные транзисторы 8 и 15).
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 надежность работы высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания транзисторов.