Мостовой инвертор с внешним возбуждением

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в мощных импульсных преобразователях напряжения для питания различных радиотехнических устройств.
Известна мостовая схема 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.361, рис.9.10, в), содержащая четыре биполярных транзистора, зашунтированных обратными диодами, одна диагональ моста подключена к источнику напряжения, а в другую диагональ моста включен выходной трансформатор. Управление транзисторами моста осуществляется от задающего генератора через входной трансформатор, содержащий одну входную и четыре выходных обмотки. Напряжение с выходной обмотки трансформатора подается в нагрузку через выпрямитель и фильтр.
Недостатком мостовой схемы усилителя мощности является наличие сквозных токов в момент переключения транзисторов из-за отсутствия контроля состояния транзисторов, что приводит к снижению надежности мостовой схемы усилителя мощности.
Известен однофазный мостовой транзисторный инвертор с обратным диодным мостом (Патент РФ №2210852, H02M 7/5387, опубл. 20.08.2003, Бюл. №23), содержащий транзисторный мост из четырех силовых транзисторов, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор, диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель - непосредственно к нагрузке. Последовательно с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора включен конденсатор. Вторичная обмотка силового согласующего трансформатора подключена к входу выпрямителя.
Недостатком однофазного мостового транзисторного инвертора с обратным диодным мостом является необходимость формирования устройством управления пауз постоянной длительности на время переключения силовых транзисторов, что снижает их суммарное время включения в течение периода, и тем самым снижает мощность, передаваемую в нагрузку, и снижает надежность в случае снижения скорости запирания транзисторов вследствие нагрева.
Известен двухтактный транзисторный преобразователь постоянного напряжения (А.С. СССР №1453563, МПК H02M 7/5387, опубл. 23.01.1989, Бюл. №3), содержащий мостовой инвертор с двумя парами биполярных транзисторов, управляемые четырьмя трансформаторами тока, включенными в цепи эмиттеров биполярных транзисторов, диодный выпрямительный мост, цепи сброса энергии и две цепи первоначального запуска. В диагональ моста включается нагрузка или выходной трансформатор.
Недостатком транзисторного инвертора является зависимость длительности паузы от параметров магнитопроводов четырех трансформаторов тока, и в случае различия параметров магнитопроводов приводит к неодинаковой длительности пауз между переключениями пар транзисторов, что в свою очередь приводит к подмагничиванию магнитопровода выходного трансформатора и снижению надежности.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является транзисторный инвертор (А.С. СССР №762113, МПК H02M 7/5387, опубл. 07.09.1980, Бюл. №27), содержащий мостовой инвертор с двумя парами ключевых биполярных транзисторов, управляемые двумя входными трансформаторами. К каждой паре противофазных ключевых транзисторов подключен вспомогательный трансформатор, обеспечивающий паузу между запиранием одного плеча преобразователя, и отпиранием другого плеча. В диагональ моста включен выходной трансформатор.
Недостатком транзисторного инвертора является зависимость длительности паузы от параметров магнитопроводов двух вспомогательных трансформаторов, и в случае различия параметров магнитопроводов приводит к неодинаковой длительности пауз между переключениями пар транзисторов, что в свою очередь приводит к подмагничиванию магнитопровода выходного трансформатора и снижению надежности.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке мостового инвертора с внешним возбуждением, обеспечивающего автоматическую задержку открывания силовых биполярных транзисторов в одном плече только после полного запирания силовых биполярных транзисторов в другом плече.
Технический результат - увеличение надежности путем увеличения точности контроля момента полного запирания силовых биполярных транзисторов в противоположных плечах мостового инвертора с внешним возбуждением.
Технический результат достигается за счет того, что в мостовой инвертор с внешним возбуждением, содержащий входной трансформатор с входной и четырьмя выходными обмотками, два силовых биполярных транзистора левого верхнего плеча и правого верхнего плеча, присоединенные коллекторами к положительному выводу источника питания, два силовых биполярных транзистора левого нижнего плеча и правого нижнего плеча, присоединенные эмиттерами к отрицательному выводу источника питания, четыре резистора, включенные последовательно с выходными обмотками входного трансформатора в цепи протекания базовых токов силовых биполярных транзисторов, выходной трансформатор с выходной обмоткой, дополнительно введены первый биполярный транзистор, параллельно коллекторно-эмиттерному переходу которого включен диод в обратном направлении, и включенный в цепь протекания базового тока силового биполярного транзистора левого нижнего плеча, второй биполярный транзистор, параллельно коллекторно-эмиттерному переходу которого включен диод в обратном направлении, и включенный в цепь протекания базового тока силового биполярного транзистора правого нижнего плеча, два резистора, включенные между базой каждого вновь введенного биполярного транзистора и базой каждого силового биполярного транзистора противоположного нижнего плеча, два диода, подключенные катодами к положительному выводу источника питания, а анодами соединенные с коллекторами силовых биполярных транзисторов левого нижнего плеча и правого нижнего плеча, два диода, подключенные анодами к отрицательному выводу источника питания, а катодами соединенные с эмиттерами силовых биполярных транзисторов левого верхнего плеча и правого верхнего плеча, первая первичная обмотка выходного трансформатора, начало которой подключено к коллектору силового биполярного транзистора левого нижнего плеча, а ее конец подключен к эмиттеру силового биполярного транзистора правого верхнего плеча, вторая первичная обмотка выходного трансформатора, начало которой подключено к эмиттеру левого верхнего плеча, а ее конец подключен к коллектору силового биполярного транзистора правого нижнего плеча мостового инвертора с внешним возбуждением.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что мостовой инвертор с внешним возбуждением дополнительно содержит два биполярных транзистора в нижних плечах, 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 нижнего плеча, чем, в отличие от прототипа, достигается включение силового биполярного транзистора в одном плече только после полного выключения силового биполярного транзистора в противоположном плече мостового инвертора с внешним возбуждением.
На фиг.1 изображена схема мостового инвертора с внешним возбуждением.
На фиг.2 приведена временная диаграмма напряжения на выходе задающего генератора.
На фиг.3 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора правого нижнего плеча.
На фиг.4 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора правого верхнего плеча.
На фиг.5 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора левого нижнего плеча.
На фиг.6 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча.
На фиг.7 приведена временная диаграмма выходного напряжения мостового инвертора с внешним возбуждением.
Мостовой инвертор с внешним возбуждением (фиг.1) содержит задающий генератор 1, к выходу которого подключена первичная обмотка 2 входного трансформатора 3. Начало выходной обмотки 4 входного трансформатора 3 подключено к базе силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча, а ее конец подключен через резистор 6 и коллекторно-эмиттерный переход биполярного транзистора 7 к эмиттеру силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча и отрицательному выводу -U источника питания. Параллельно коллекторно-эмиттерному переходу биполярного транзистора 7 подключен диод 8, подсоединенный анодом к коллектору биполярного транзистора 7, а катодом - к его эмиттеру. Вывод базы биполярного транзистора 7 подключен через резистор 9 к выводу базы силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча. Начало выходной обмотки 11 входного трансформатора 3 подключено через резистор 12 и коллекторно-эмиттерный переход биполярного транзистора 13 к эмиттеру силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча и отрицательному выводу -U источника питания, а ее конец подключен к базе силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча. Параллельно коллекторно-эмиттерному переходу биполярного транзистора 13 подключен диод 14, подсоединенный анодом к коллектору биполярного транзистора 13, а катодом - к его эмиттеру. Вывод базы биполярного транзистора 13 подключен через резистор 15 к выводу базы силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча. Коллекторы силовых биполярных транзисторов 16 и 17 соответственно верхнего левого и верхнего правого плеча соединены с положительным выводом+U источника питания, диод 18, соединенный катодом с эмиттером силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча, а анодом - с отрицательным выводом -U источника питания, диод 19, соединенный катодом с эмиттером силового биполярного транзистора 17 правого верхнего плеча, а анодом - с отрицательным выводом -U источника питания, диод 20, соединенный катодом с положительным выводом+U источника питания, а анодом - с коллектором силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча, диод 21, соединенный катодом с положительным выводом+U источника питания, а анодом - с коллектором силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча. Начало выходной обмотки 22 входного трансформатора 3 подключено к эмиттеру силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча, а ее конец через резистор 23 - к его базе. Конец выходной обмотки 24 входного трансформатора 3 подключен к эмиттеру силового биполярного транзистора 17 правого верхнего плеча, а ее начало через резистор 25 - к его базе. Начало первой первичной обмотки 26 выходного трансформатора 27 подключено к коллектору силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча, а ее конец - к эмиттеру силового биполярного транзистора 17 правого верхнего плеча, начало второй первичной обмотки 28 подключено к эмиттеру силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча, а ее конец - к коллектору силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча. Выходной трансформатор 27 имеет выходную обмотку 29.
1
1
1
1
2
2
4
1
Мостовой 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). На выходных обмотках 4, 11, 22, 24 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 коллектору биполярного транзистора 7. Биполярный транзистор 7 управляется потенциалом базы силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча через резистор 9. В момент времени t начинается процесс запирания силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча, при этом напряжение между выводами базы и эмиттера (фиг.3, интервал времени t - t) начинает уменьшаться со скоростью изменения его тока коллектора. При полном запирании силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча напряжение на его коллекторе возрастает, при этом ток коллектора силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча становится равным нулю и напряжение между его выводами базы и эмиттера становится отрицательным относительно вывода эмиттера (фиг.3, интервал времени t - t), и это напряжение через резистор 9 отпирает биполярный транзистор 7, при этом начинает протекать ток в базу силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча по цепи: начало обмотки 4 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 5 - эмиттерно-коллекторный переход биполярного транзистора 7 - резистор 6 - конец обмотки 4 входного трансформатора 3. Одновременно в момент времени t начинает протекать ток по цепи: начало обмотки 24 - резистор 24 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 17 - конец обмотки 24. Напряжение на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 17 правого верхнего плеча показано на фиг.4. Ток от положительного вывода+U источника питания протекает через коллекторно-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 17 правого верхнего плеча - обмотка 26 - коллекторно-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча - отрицательный вывод -U источника питания.
3
3
3
4
4
6
3
В момент времени t (фиг.2) на нижнем выводе обмотки 11 появляется положительный потенциал, а отрицательный потенциал с верхнего вывода обмотки 11 прикладывается к коллектору биполярного транзистора 13. Биполярный транзистор 13 управляется потенциалом базы силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча через резистор 15. В момент времени t начинается процесс запирания силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча, при этом напряжение между выводами базы и эмиттера (фиг.5, интервал времени t - t) начинает уменьшаться со скоростью изменения его тока коллектора. При полном запирании силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча напряжение на его коллекторе возрастает, при этом ток коллектора силового биполярного транзистора 5 левого нижнего плеча становится равным нулю и напряжение между его выводами базы и эмиттера становится отрицательным относительно вывода эмиттера (фиг.5, интервал времени t - t), и это напряжение через резистор 15 отпирает биполярный транзистор 13, при этом начинает протекать ток в базу силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча по цепи: конец обмотки 11 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 10 - эмиттерно-коллекторный переход биполярного транзистора 13 - резистор 12 - начало обмотки 11 входного трансформатора 3. Одновременно в момент времени t (фиг.6) начинает протекать ток по цепи: конец обмотки 22 - резистор 23 - база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 16 - начало обмотки 22. Напряжение на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча показано на фиг.6.
Ток от положительного вывода+U источника питания протекает через коллекторно-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 16 левого верхнего плеча - обмотка 28 - коллекторно-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 10 правого нижнего плеча - отрицательный вывод -U источника питания.
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 первичные обмотки 26 и 28 поочередно подключаются к источнику питания через переходы коллектор-эмиттер силовых биполярных транзисторов 5, 17 и 16, 10 соответственно, и на выходной обмотке 29 выходного трансформатора 27 появляется выходное переменное напряжение U (фиг.7).
В мостовом инверторе с внешним возбуждением применены n-p-n транзисторы типа КТ840А (силовые биполярные транзисторы 5, 10, 16, 17) и p-n-p транзисторы типа КТ814Б (биполярные транзисторы 7 и 13).
Таким образом, предлагаемый мостовой 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 мостового инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания транзисторов.