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, два диода, включенные последовательно и присоединенные параллельно резистору анодом к эмиттеру нижнего биполярного транзистора, а катодом  к отрицательному выводу источника питания, резистор, включенный между выводом эмиттера верхнего биполярного транзистора и выводом коллектора нижнего биполярного транзистора, два диода, включенные последовательно и присоединенные параллельно резистору анодом к эмиттеру верхнего биполярного транзистора, а катодом  к выводу коллектора нижнего биполярного транзистора, биполярный транзистор, присоединенный коллектором к выводу базы нижнего биполярного транзистора, эмиттером  к отрицательному выводу источника питания, а его база через резистор соединена с эмиттером нижнего биполярного транзистора, резистор, подключенный между базой нижнего биполярного транзистора и отрицательным выводом источника питания, биполярный транзистор, присоединенный коллектором к выводу базы верхнего биполярного транзистора, эмиттером  к коллектору нижнего биполярного транзистора, а его база через резистор соединена с эмиттером верхнего биполярного транзистора, резистор, подключенный между базой верхнего биполярного транзистора и коллектором нижнего биполярного транзистора, начало одной выходной обмотки входного трансформатора присоединено через диод к выводу базы верхнего биполярного транзистора, а ее конец - к коллектору нижнего биполярного транзистора, конец второй выходной обмотки входного трансформатора присоединен через диод 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, 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 через диод 5 подключен к базе нижнего биполярного транзистора 6, а ее конец подключен к отрицательному выводу -U источника питания. Между выводом базы нижнего биполярного транзистора 6 и отрицательным выводом -U источника питания включен резистор 7. Эмиттер нижнего биполярного транзистора 6 соединен с отрицательным выводом -U источника питания через резистор 8. Параллельно резистору 8 присоединены два диода 9 и 10, включенные последовательно, диод 9 присоединен анодом к выводу эмиттера нижнего биполярного транзистора 6, а катод диода 10  к отрицательному выводу -U источника питания.
Начало выходной обмотки 11 через диод 12 подключено к базе верхнего биполярного транзистора 13, а ее конец  к коллектору нижнего биполярного транзистора 6 и нижнему выводу резистора 14. Между выводом базы верхнего биполярного транзистора 13 и выводом коллектора нижнего биполярного транзистора 6 включен резистор 15.
Верхний вывод резистора 14 соединен с эмиттером верхнего биполярного транзистора 13. Параллельно резистору 14 присоединены два диода 16 и 17, включенные последовательно, диод 16 присоединен анодом к выводу эмиттера верхнего биполярного транзистора 13, а катод диода 17 к нижнему выводу резистора 14. Биполярный транзистор 18 присоединен коллектором к выводу базы нижнего биполярного транзистора 6, эмиттером к отрицательному выводу -U источника питания, а его база через резистор 19 соединена с эмиттером нижнего биполярного транзистора 6, биполярный транзистор 20 присоединен коллектором к выводу базы верхнего биполярного транзистора 13, эмиттером  к коллектору нижнего биполярного транзистора 6 и нижнему выводу резистора 14, а его база через резистор 21 соединена с эмиттером верхнего биполярного транзистора 13.
Начало первичной обмотки 22 выходного трансформатора 23 подключено к эмиттеру верхнего биполярного транзистора 13, а ее конец соединен с верхним выводом конденсатора 24, нижний вывод которого подключен к эмиттеру нижнего биполярного транзистора 6. К выходной обмотке 25 выходного трансформатора 23 подключена нагрузка 26.
1
11
4
14
бэ13
8
бэ6
вых
На фиг.2 приведена временная диаграмма напряжения U на выходе задающего генератора. На фиг.3 приведена временная диаграмма напряжения U на выходной обмотке 11 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 14. На фиг.6 приведена временная диаграмма напряжения U на переходе база-эмиттер верхнего биполярного транзистора 13. На фиг.7 приведена временная диаграмма напряжения U на резисторе 8. На фиг.8 приведена временная диаграмма напряжения U на переходе база-эмиттер нижнего биполярного транзистора 6. На фиг.9 приведена временная диаграмма напряжения U на выходной обмотке 25 выходного трансформатора 23.
1
4
11
1
1
2
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). На выходных обмотках 4 и 11 входного трансформатора 3 появляется переменное напряжение U и U соответственно. В момент времени t (фиг.3) на верхнем выводе обмотки 11 появляется положительный потенциал, а на верхнем выводе обмотки 4 (фиг.4)  отрицательный потенциал, и начинается процесс запирания нижнего биполярного транзистора 6. Процесс запирания нижнего биполярного транзистора 6 происходит в интервале времени (t - t), при этом происходит рассасывание носителей зарядов из области базы нижнего биполярного транзистора 6 через резисторы 7 и 8, в это время ток от конденсатора 24 протекает через первичную обмотку 22 выходного трансформатора 23, резистор 14 и коллекторно-эмиттерный переход нижнего биполярного транзистора 6. Два последовательно соединенных диода 16 и 17 ограничивают напряжение на резисторе 14 для уменьшения рассеиваемой на нем мощности.
2
Ток через коллекторно-эмиттерный переход верхнего биполярного транзистора 13 начинает протекать только после того, как напряжение на резисторе 14 станет меньше напряжения включения биполярного транзистора 120, и он закроется (фиг.6, момент времени t). При этом от верхнего вывода обмотки 11 через диод 12 в базу верхнего биполярного транзистора 13 начинает течь ток, значение которого ограничено резистором 14, при этом напряжение на резисторе 14 должно быть меньше падения напряжения на двух последовательно соединенных диодах 16 и 17. Резистор 14 ограничивает ток базы верхнего биполярного транзистора 13, и одновременно является датчиком тока нижнего биполярного транзистора 6.
3
3
4
В момент времени t (фиг.4) на верхнем выводе обмотки 4 появляется положительный потенциал, а на верхнем выводе обмотки 11 (фиг.3) появляется отрицательный потенциал, и начинается процесс запирания верхнего биполярного транзистора 13. Процесс запирания верхнего биполярного транзистора 12 происходит в интервале времени (t - t), при этом происходит рассасывание носителей зарядов из области базы верхнего биполярного транзистора 13 через резисторы 15 и 14, в это время ток от положительного вывода+U источника питания протекает через коллекторно-эмиттерный переход верхнего биполярного транзистора 13, первичную обмотку выходного трансформатора 22, конденсатор 24, резистор 8 к отрицательному выводу -U источника питания. Два последовательно соединенных диода 9 и 10 ограничивают напряжение на резисторе 8 для уменьшения рассеиваемой на нем мощности.
4
Ток через коллекторно-эмиттерный переход нижнего биполярного транзистора 6 начинает протекать только после того, как напряжение на резисторе 8 станет меньше напряжения включения биполярного транзистора 18, и он закроется (фиг.8, момент времени t). При этом от верхнего вывода обмотки 4 через диод 5 в базу нижнего биполярного транзистора 6 начинает течь ток, значение которого ограничено резистором 8, при этом напряжение на резисторе 8 должно быть меньше падения напряжения на двух последовательно соединенных диодах 9 и 10. Резистор 8 ограничивает ток базы нижнего биполярного транзистора 6, и одновременно является датчиком тока верхнего биполярного транзистора 13.
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 22 выходного трансформатора 23 при переключении соответственно нижнего и верхнего биполярных транзисторов 6 и 13 изменяется с частотой задающего генератора 1, на выходной обмотке 25 выходного трансформатора 23 появляется выходное переменное напряжение U (фиг.9), и через нагрузку 26 начинает протекать ток.
В макете полумостового инвертора с внешним возбуждением были применены транзисторы типа КТ840А (нижний и верхний биполярные транзисторы 6 и 13 соответственно), транзисторы типа КТ815Б (биполярные транзисторы 18 и 20).
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.