ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована во вторичных источниках питания.
Известен конвертор, описанный в авторском свидетельстве СССР №1274087 по МКИ4НО2МЗ/335 за 1986г., содержащий параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов (в аналоге - усилитель мощности), два трансформатора, последовательно соединенные первичные обмотки которых включены между точкой соедршения первого и второго конденсаторов, с одной стороны, и точкой соединения первого и второго транзисторов, с другой стороны, причем вторичная обмотка одного из трансформаторов через выпрямительный диод и сглаживающий фильтр соединена с элементом нагрузки.
Недостатком известного конвертора является весьма сложная схема управления и защиты траюисторов, содержащая более десяти логических элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является полумостовой резонансный автогенератор, описанный в сборнике под редакцией Ю.И. Конева «Электронная техника в автоматике, М., «Радио и связь, 1986г., вып. 17 (см. рис.2 на стр.138).
Известное устройство содержит параллельно соединенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединенных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов, трансформатор тока, первый выходной трансформатор, первый и второй диоды, сглаживаюпщй фильтр и элемент нагрузки, причем входы первичной обмотки трансформатора тока являются входами управления преобразователя напряжения, конец первой и начало второй вторичных обмоток трансформатора тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, конец второй вторичной обмотки трансформатора тока соединен с началом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало вторичной обмотки которого соединено через прямо включенный первый диод и сглаживающий фильтр с первым входом элемента нагрузки, второй вход которого соединен через общую шину с концом вторичной обмотки первого выходного трансформатора, начало третьей вторичной обмотки трансформатора тока соединено с эмиттером второго транзистора и с
минусовой шиной постоянного входного напряжения, плюсовая шина которого соединена с коллектором первого транзистора.
Недостатками известного устройства, главным образом, являются относительно низкий его коэффициент полезного действия (КПД) и сложность. При этом низкий КПД обусловлен существенными потерями энергии в сложном выходном трансформаторе, а также в транзисторах из-за использования относительно медленной схемы их переключеьшя. Значительные потери в выходном трансформаторе вызваны необходимостью иметь относительно большую мощность индуктивного рассеивания в его первичной обмотке, чтобы обеспечить резонансный контур вместе с соответствующими конденсаторами. Это уменьшает коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками указанного трансформатора, что позволяет передать на выход энергию с большими потерями.
Переусложнение известного устройства связано с использованием в нем многообмоточного выходного трансформатора, причем с обеспечением определенной мощности индуктивного рассеивания для образования, как уже указывалось выше, резонансного контура. Это, естественно, ухудшает технологичность и ремонтопригодность устройства и, как следствие, стоимость его изготовления и эксплуатации.
Кроме того, известное устройство в связи с указанными выше потерями энергии является источником электромагнитных помех.
Целью заявленного технического решения является устранение указанных выше недостатков, т.е. - повышеьше ЮГЩ преобразователя напряжения относительно известного прототипа, а также - уменьшение его электромагнитных помех.
Указанная цель достигается, главным образом, тем, что используемый в прототипе сложный многообмоточный выходной трансформатор заменяется на два простых однотршных двухобмоточных трансформатора, вводятся третий конденсатор, соединяющий точку соединения первого и второго конденсаторов с точкой соединения первого и второго транзистора, третий и четвертый диоды, соединяющие обратным включением соответственно у первого и второго транзисторов эмиттер с коллектором.
Кроме того, в любом месте резонансного контура включена первичная обмотка второго трансформатора тока, вторичная обмотка которого связана с дополнительной вторичной обмоткой первого трансформатора тока, а в цепь базы каждого транзистора добавлены корректирующие цепочки, состоящие из разделительных, прямо включенных, диодов, пропускающих только в одну сторону постоянную составляющую тока и соединенного параллельно с ними четвертого (пятого - для второго транзистора) конденсатора, для прохождения переменной составляющей тока ущ)авления транзисторов.
Указанные отличительные признаки обеспечивают повышение быстродействия переключения транзисторов, снижая потери энергии и уменьшая электромагнитные помехи. Пропорционально этому повышается КПД устройства.
Как показали экспериментальные исследова1шя, проведенные автором, КПД па частотах переключения более 100 кГц удается повышать па 7-10%.
Это является техническим результатом полезной модели.
С приведением всех существенных признаков сформулированная выше цель достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий параллельно соедипенные относительно двух шин постоянного входного напряжения цепочку последовательно соединевсных первого и второго конденсаторов и последовательно соединенных в токовую управляемую цепочку первого и второго транзисторов, первый трансформатор тока, первый выходной трансформатор, первый и второй диоды, сглаживаюш ий фильтр, причем выводы первичной обмотки первого трансформатора тока использованы в качестве входа управления преобразователя напрзюкения, конец первой и пачало второй вторичных обмоток первого трансформатора тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, конец второй вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с началом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало вторичной обмотки которого соединено через прямовключенный диод и сглаживаюпщй фильтр с первым выводом для подключения нагрузки, а конец вторичной обмотки первого выходного трансформатора соединен со BTOpbJM выводом для подключения нагрузки и с общей шиной, начало третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено с эмиттером второго транзистора и с минусовой шиной постоянного входного напряжения, а коллектор первого транзистора подключен к плюсовой пшне постоянного входного напряжения, введены второй трансформатор тока, второй выходной трансформатор, третий и четвертый транзисторы, три конденсатора и десять диодов, причем конец первичной обмотки второго выходного трансформатора соединен с концом первичной обмотки первого выходного трансформатора, начало первичной обмотки второго выходного трансформатора соединено с точкой соединения первого и второго конденсаторов и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с точкой соединения эмиттера первого и коллектора второго транзисторов, начало и конец вторичной обмотки второго выходного трансформатора соответственно соединены с первым выводом для подключения нагрузки через прямовключенный диод и сглаживающей фильтр и со вторым выводом для подключения нагрузки, анод и катод третьего диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором первого транзистора, анод и катод четвертого диода соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора, начало нервой вторичной обмотки первого трансформатора тока соединено через параллельно соединенные четвертый конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные пятый и шестой диоды с базой первого транзистора, точка соединения пятого и шестого диодов через прямовключенный седьмой диод соединена с коллектором первого транзистора, конец третьей вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен через параллельно соединенный пятый
0- . ,
конденсатор и последовательно соединенные прямовключенные восьмой и девятый диоды с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и девятого диодов через нрямовключенный десятый диод соединена с коллектором второго транзистора, первичная обмотка второго трансформатора тока включена последовательно в любом месте резонансного контура, состоящего из последовательно соединенных первичный обмоток первого и второго выходных трансформаторов, второй вторичной обмотки первого трансформатора тока и третьего конденсатора, причем первичная обмотка второго трансформатора тока включена встречно с обмотками, входящими в состав резонансного контура, начало вторичной обмотки второго трансформатора тока соединено с базами третьего и четвертого транзисторов, а ее конец - с эмиттерами этих транзисторов и с концом любой из вторичных обмоток первого трансформатора тока, при этом начало используемой обмотки соединено через прямовключенный одиннадцатый диод с коллектором третьего транзистора и через обратновключенный двенадцатый диод с коллектором четвертого транзистора, а конец - с точкой соединения эмиттеров третьего и четвертого транзисторов, причем третий и четвертый транзисторы имеют проводимость соответственно п-р-п и р-п-р типа.
Без использоваьшя второго трансформатора тока возникает опасная ситуация одновременно открытых первого и второго транзисторов, через которые в этом случае течет ток короткого замыкания, приводящий к их отказу.
Этот недостаток может быть устранен, если ввести более сильную обратную блокирующую связь в одну ш уже используемые (или дополнительную) обмотки трансформатора тока из резонансного контура, образованного третьим конденсатором вместе с первичными обмотками выходных трансформаторов. Для этого в любую точку резонансного контура можно включить последовательно датчик тока.
При этом в качестве датчика тока с различной степенью получаемого эффекта могут быть использованы простейпше элементы (типа: нелинейный элемент или обычный резистор) без применения дополнительной гальванической обратной связи от этого элемента к обмоткам трансформатора тока.
Наибольшую степень пол)аемого эффекта дает датчик тока, представляющий собой узел, обеспечивающий усиление сигнала и гальваническую обратную связь резонансного контура с одной из уже используемых обмоток трансформатора тока или дополнительной обмоткой. В качестве такого датчика тока может быть, например, использованы второй трансформатор тока, первичная обмотка которого последовательно включена в любой точке резонансного контура, а вторичная обмотка, которого через транзисторный ключ - непосредственно к одной из обмоток первого трансформатора тока.
,-
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема примера реализации преобразователя напряжения, а на фиг.2 - эпюры, поясняющие его работу.
Преобразователь напряжения содержит первый и второй конденсаторы 1 и 2, первый и второй транзисторы 3 и 4, первый трансформатор 5 тока, первый выходной трансформатор 6, первый и второй диоды 7 и 8, сглаживающий фильтр 9, содержапщй индуктивность 9.1 и емкость 9.2, элемент 10 нагрузки, второй выходной трансформатор 11, третий, четвертый и пятый конденсаторы 12,13 и 14, третий ... десятый диоды 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 22, входы управления 23 и 24 и шины постоянного входного напряжения 25 и 26. Кроме того, преобразователь напряжения дополнительно содержит датчик 27 тока (второй трансформатор тока), содержащий, в свою очередь, первичную обмотку 27.1 и вторичную обмотку 27.2, третий и четвертый транзисторы 27.3 и 27.4 и двенадцатый и тринадцатый диоды 27.5 и 27.6 (см. фиг.1). Причем начало первичной обмотки 27.1 второго трансформатора тока соединено с началом первичной обмотки 6.1, а конец первичной обмотки 27.1 - с концом второй вторичной обмотки 5.3 первого трансформатора 5 тока. Начало вторичной обмотки 27.2 второго трансформатора тока соединено с базами третьего и четвертого транзисторов 27.3 и 27.4, а ее конец - с эмиттерами этих транзисторов и с концом четвертой (дополнительной) обмотки 5.5 первого трансформатора тока 5. Начало дополнительной обмотки 5.5 первого трансформатора тока 5 соединено через прямовключенный диод 27.5 с коллектором третьего транзистора 27.3 и через обратно включенный диод 27.6 с коллектором четвертого транзистора 27.4. Третий и четвертый транзисторы 27.3 и 27.4 имеют разную проводимость, соответственно п-р-п и р-п-р.
Трансформатор 5 тока содержит первичную обмотку 5.1 и первую, вторую и третью вторичные обмотки соответственно 5.2, 5.3 и 5.4, а также дополнительн)ю обмотку 5.5.
Первый и второй выходные трансформаторы 6 и 11 содержат первичные обмотки 6.1 и 11.1 и вторичные обмотки 6.2 и 11.2 соответственно.
Элемент 10 нагрузки, включенный в состав преобразователя, может также не входить в него.
Начала обмоток трансформаторов на фиг. 1 обозначены точкой.
Относительно  шин 25 и 26 постоянного входного напряжения параллельно соединены цепочка последовательно соединенных первого и второго конденсаторов 1 и 2 и последовательно соединенные в токовую управляемую цепочку первый и второй транзисторы 3 и 4. Входы первичной обмотки 5.1 трансформатора 5 тока являются входами 23 и 24 управления преобразовате.11я напряжения. Конец первой и начало второй вторичных обмоток 5.2 и 5.3 трансформатора 5 тока соединены между собой и с точкой соединения эмиттера первого 3 и коллектора второго 4 транзисторов. Конец второй вторичной обмотки 5.3 трансформатора 5 соединен с концом первичной обмотки 27.1 датчика 27 тока, начало которой соединено с началом первичной обмотки 6.1 первого выходного трансформатора 6,
начало вторичной обмотки 6.2 которого соединено через прямо включенный первый диод 7 и сглаживающий фильтр 9 с первым входом элемента 10 нагрузки, второй вход которого соединен через общую шину (на фиг. 1 «корпус) с концом вторичной обмотки 6.2 первого выходного трансформатора 6. Начало третьей вторичной обмотки 5.4 трансформатора 5 соединено с эмиттером второго транзистора 4 и с минусовой шиной 26 постоянного входного напряжения, плюсовая шина 25 которого соединена с коллектором первого транзистора 3.
Конец первичной обмотки 11.1 второго выходного трансформатора 11 соединен с концом первичной обмотки 6.1 первого выходного трансформатора 6. Начало первичной обмотки 11.1 второго выходного трансформатора 11 соединено с точкой соединения первого и второго конденсаторов 1 и 2 и с первым выводом третьего конденсатора 12, второй вывод которого соединен с точкой соединения эмиттера первого 3 и коллектора второго 4 транзисторов. Начало и конец вторичной обмотки 11.2 второго выходного трансформатора 11 соответственно соединены через прямо включе1шый второй диод 8 со входом сглаживающего фильтра 9 и с общей шиной преобразователя.
Анод и катод третьего диода 15 соединены соответственно с эмиттером и коллектором первого транзистора 3, а анод и катод четвертого диода 16 соединены соответственно с эмиттером и коллектором второго транзистора 4.
Начало первой вторичной обмотки 5.2 трансформатора 5 соединено через параллельно соединенные четвертый конденсатор 13 и последовательно соединенные прямо включенные пятый и шестой диоды 17 и 18с базой первого транзистора 3. Общая точка соединения пятого и шестого диодов 17 и 18 через прямо включенный седьмой диод 19 соединена с коллектором первого транзистора 3.
Конец третьей вторичной обмотки 5.4 трансформатора 5 соединен через параллельно соединенные пятый конденсатор 14 и последовательно соединенные прямо включенные восьмой и девятый диоды 20 и 21 с базой второго транзистора 4. Общая точка соединения восьмого и девятого диодов 20 и 21 через прямо включенный десятый диод 22 соединена с коллектором второго транзистора 4.
Все использованные в преобразователе напряжения элементы являются стандартными и широко применяются в промышленности. Они также шрфоко взаимозаменяемы по типажу в зависимости от требуемой мошности преобразователя и других его х актеристик.
Нреобразователь напряжения работает следуюпщм образом.
Нри подаче на входы управления 23 и 24 управляющего меандра (см. эпюру «а на фиг.2) с помощью трансформатора 5 тока происходит поочередное переключение транзисторов 3 и 4. Базовый ток включенного транзистора при этом с помощью трансформатора 5 тока поддерживается пропорциональным току коллектора.
2Л(1{(2Ч)Ь
Пусть, например, в момент времеьш tl (см. эпюру «б на фиг.2) включается транзистор 4. Его ток нарастает по закону синуса в интервале времени tl -t2. В момент времени t2 обмотка 5.1 трансформатора 5 закорачивается с помощью схемы управления, формирующей управляющий меандр (схема управления в связи с не принципиальностью для данного решения на фиг. 1 не показана), в результате чего коллекторный ток транзистора 4 быстро уменьшается до нуля. Однако напряжение на коллекторе транзистора увеличивается медленно, т.к. конденсатор 12 перезаряжается током, протекающим через обмотки 5.3, 27.1,6.1 и 11.1 трансформаторов 5, 27, 6 и 11 (см. эпюру «г на фиг.2). К моменту времени t3 указанное напряжение достигает величины постоянного входного напряжения Еп, увеличенного на небольшую величину падения напряжения на открытом диоде 15. Этот диод продолжает бьггь открытым до момента времени t4, когда становится равным нулю ток протекающий по цепи: обмотки 11.1, 6.1, 27.1, 5.3, конденсатор 12. Несмотря на то, что входное напряжение с момента времени t2 до момента t4 является открывающим для транзистора 3, последний остается закрытым благодаря действию магнитной связи: обмотка 5.3 - обмотка 5.2, т.к. ток за время t2-t4, проходящий по обмотке 5.3, формирует отрицательное смещение на переходе «эмиттер-база транзистора 3.
В момент времени t4 ток через обмотку 5.3 уменьшается до нуля и открывающей сигнал управления открывает транзистор 3. Коллекторный ток этого транзистора нарастает по закону синуса до момента времени t5, когда он резко спадает до нуля вследствие закорачивания обмотки 5.1 (см. эпюру «в фиг.2). Напряжение на коллекторе транзистора 4 медленно уменьшается, т.к. конденсатор 12 перезаряжается током, протекающим через обмотки 5.3, 27.1, 6.1 и 11.1 (см. эпюру «г на фиг.2) и к моменту времени 16 достигает отрицательной величины, равной падению напряжения на открытом диоде 16, который продолжает бить открытым до момента времени 17, когда, становится равным нулю ток, протекающий по цепи: обмотки 5.3, 27.1, 6.1, 11.1, конденсатор 12. Несмотря на то, что входное напряжение с момента времени t5 является открывающим для транзистора 4, последний остается закрытым благодаря действию магнитной связи: обмотка 5.3 - обмотка 5.4. В момент времени t7 ток, протекающий через обмотку 5.3, уменьщается до нуля и входной сигнал вновь открывает транзистор 4 и т.д. периодически переключаются транзисторы 3 и 4.
Каждый полунериод один из трансформаторов 6 и 11 работает как выходной трансформатор, передавая, энергию через диоды 7 и 8 и сглаживающий фильтр 9 в элемент 10 нагрузки, а другой трансформатор как индуктршность резонансного контура вместе с конденсаторами 1, 2 и 12. При этом напряжение на общей точке соединения конденсаторов 1 и 2 по форме близко к синусоиде (см. эпюру «д на фиг.2).
под действием тока перез ядки конденсатора 12 через первичную обмотку 27.1 и вторичную обмотку 27.2 датчика тока 27 поддерживается открытым транзистор 27.3. В результате этого ток, протекающий через диод 27.5 и дополнительную обмотку 5.5 трансформатора тока 5, препятствует формированию на базе транзистора 3 открывающего его потенциала. Блокировка этого транзистора продолжается до тех пор, пока не станет равным ну.г1ю ток резонансного контура.
Аналогично, когда в интервале времени t5-t7 (см. фиг. 2) не должен открываться транзистор 4 (при этом ток перезарядки конденсатора 12, проходящий через первичную обмотку 27.1, в отличие от предыдущего случая, имеет противоположное направление) поддерживается открытым транзистор 27.4, в результате чего ток, протекающий через диод 27.6 и дополнительную обмотку 5.5 трансформатора тока 5 препятствует формированию на базе транзистора 4 открывающего его потенциала.
В отличие от прототипа, благодаря наличию в заявленном преобразователе конденсатора 12, который на интервалах времени t2-t4 и t5-t7, перезаряжается через обмотку 5.3, а еще дополнительно к этому через датчик тока 27 с воздействием через обмотку 5.5, происходит задержка вредного (преждевременного) включения транзисторов 3 и 4. Это позволяет существенно упростить устройство управления, формирующего вместо сложного меандра с блокирующими паузами на интервалах t2-t4 (t5-t7) простейщий меандр, показанный на эпюре «а фиг.2, и повысить КПД преобразователя.
Кроме того, на интервалах времени t3-t4 и t6-t7, благодаря наличию, в отличие от прототипа, диодов 15 и 16, имеется кратчайший путь току, что также повышает КПД преобразователя.
Автор:77// А.Ю. Гончаров.