Двухтактный конвертор

Двухтактный конвертор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(и 675555

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

/

/ т

/ л (51) М. Кл

Н 02 М 3/335 (6l) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 25.08.75 (21) 2167033/24-07 с присоединением заявок, № 2196388/07

2329570/07 (23) Приоритет 081275 2355677/07

23.02.76

Опубликовано 25.07.79. Бюллетень № 27

Гооударстеенный квинтет

СССР но делом нзобретеннй н откритнй (53) УДК

621.31457 (088.8) Дата опубликования описания 25.07.79 (72) Авторы изобретения

В. М. Булык и Б. К. Гальс

Научно-исследовательский институт управляющих вычислительных машин (71) Заявитель (54) ДВУХТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР

Изобретение относится ко вторичным источникам питания и может быть использовано в частном случае для электропитания радиоэлектронной техники. .Для питания различной аппаратуры применяются конверторы снепосредствгннымвыпрям- . 3 лением сетевого напряжения и дальнейшим преобразованием его на повышенной частоте в необходимые номиналы постоянного напряжения; при этом входное напряжение достигает 200—

350 В. Указанная величина входного напряже- . 10 иия обусловливает применение конверторов по полумостовой и мостовой Схемам.

В известных конверторах в одних случаях возникает ассиметрия в. работе плеч конверто- ра из-за технологического разброса транзисто- 15 ров по времени рассасывания избыточных носителей и но прямому напряжению эмиттерных переходов возникает асимметрия в работе плеч конвертора, вызывающая одностороннее насыщение сердечника трансформатора, что приво; 20 диг к резкому увеличению потерь в нем и опасным всплескам коллекторного тока при переключении одного, из транзисторов и к

2 возникновению на последнем значительных потерь (1). В друтих конверторах устраняется только одна из причин ассиметрии — техноло гический разброс транзисторов по прямому напряжению эмиттерных переходов (2) .

Наиболее" близким по технической сущности является двухтактный конвертор, который содержит мост, одно плеЧо которого образовано транзисторами, а другое конденсаторами, транс: форматор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, и вторичная подсоедннена через выпрямитель и емкостной 4ильтр к выходным выводам, обмотки положительной обратной связи, подключенные через базовые резисторы к базо-змитгерным переходам транзисторов, двухобмоточный частотозадающий индуктивньй элемент, обмотки которого связаны через разделительные диоды и дополнительные обмотки трансформатора с указанными базоэмиттерными переходами (3) .

В этом конверторе частотоэадающий элемент выполнен в виде дросселя, который снабжен дополнительной обмоткой включенной встречно с вспомогательной обмоткой трансформатора.

3 4

В данном конверторе длительность перемаг- При использовании в конверторе транзистоничивания дросселя не зависит от технологи- ров с активным запиранием обмотки индуктивческого разброса транзисторов по прямому на- ного элемента размещены на двух сердечниках, пряжению эмиттерных переходов и имеется воэ- а конвертор снабжен дополнительными диодами, 5 можность симметрировать работу плеч конвер- каждый из которых одним концом соединен с тора переменным резистором. Однако он име- общей точкой соединения одного вывода соотет следующие недостатки: отноСительная слож- ветствующей обмотки индуктивного элемента ность схемы, относительно узкий диапазон ре- и разделительного диода, а другим — через ввегулировки по устранению асимметрии, недоста- денный резистор и упомянутую дополнительную точная устойчивость отсимметрированного сос- о обмотку с другим выводом обмотки индук тивного элемента.

Относительная сложность схемы обусловле- На фиг. 1 — 4 представлены варианты двухна введением еще по одной дополнительной об- тактного конвертора.

--- -"мотке на трансформатор и дроссель резистор- Двухтактный конвертор (см.фиг. 1) содерж"т но-диодной цепочки.- — --:- -- -:-- -.. 5 конденсаторы 1 и 2, транзисторы 3 и 4, обраНедостаточная устойчивость отсимметрирован- зующие транзисторно-емкостной мост,конден-. ного состояния в данном конверторе объясня- сатор 5 повышающий устойчивость отсимметется тем, что в нем не предусмотрены меры рированного состояния, трансформатор 6, имею по автоматическомуустранению асйММетрйи;воз- щий первичную обмотку 7, вторичную обмотку

1 никающеи при изменении тока нагрузки и тем- 2о 8, подсоединенную к выпрямителю 9 с емкост- . пературы окружающей среды. Эта асимметрия ным фильтром 10, обмотки положительной 11 возможна из-за различного закона изменения и 12 обратной связи, содержащее по одинаковремени рассасывания избыточных носителей вому числу витков и подключенные через ретранзисторов при изменении их коллекторных зисторы 13 и 14 к эмиттерным переходам трантоков и температуры окружающей -среды. 25 зисторов, две одинаковые дополнительные обЦелью изобретения является упрощение схе- - мотки 15 и 1б, частотозадающий индуктивный мы и расширения диапазона регулировки при элемент 17 с обмотками 18 и 19 (выполненодновременном устранении асимметрии, а также ный в виде дросселя на одном сердечнике); повышение устойчивости отсимметрированного разделительные диоды 20 и 21, дополнительно

Зр введеннйе- реэйсторы 22 и 23, диоды 24 и 25, Это достигается тем, что конвертор содержит защищающие эмиттерные переходы транзисторов мост, одно плечо которого образовано транзис- от пробоя обратным напряжением. торами, а другое конденсаторами, трансформа- Обмотки 11, 12; 15 и 16 целесообразно вы тор, первичная обмотка которого включена в бирать одинаковыми и амплитуда напряжения диагональ моста, а вторичная подсоединена 3 на каждой иэ них должна быть в 8 — 10 раз через выпрямитель и емкостный фильтр к вы- больше чем максимально возможное прямое.находным "выводам, обмотка положительной обрат. пряжение эмиттерного перехода транзисторов, ной связи, подключенные через базовые,. резисто- что обусловлено стремлением избавиться ог вли ры к базоэмиттерным переходай "трайзисторов, яния на работу конвертора технологического двухобмоточный частотоэадающий индуктивный 4р разброса транзисторов по указанному напряжеэлемент, обмотки которого- связмы через "Pàç- "нию. делительные диоды и дополнительные обмотки Рассмотрим процессы, происходящие в конвертрансформатора с указанными базо-эмиттерными торе по фиг. 1, без учета влияния конденсатора переходами,. а параллельно первичной обмотке 5. Допустим, что транзистор 4 открьгг. Тогда трансформатора включен конденсатЬр, а каждая 45 обмотка 7 подключена. через открытый транзисобмотка индуктивного элемента связана с резне- тор к конденсатору 2, под действием напряжения тором, причем, йо меньшей мере один из них которого сердечник трансформатора 6 перемегявляется регулируемым. ничивается. Транзистор 4 открыт током, протеКроме того указанная связь осуществлена кающим через его эмиттерный переход от обчерез два дополнительно введеннйх резйстора, я, мотки 12 через резистор 14, а транзистор 3 каждый из который включен последовательно запрет прямым напряжением диода 24, вызванс обмоткой упомянутого индуктивного элемента. ным протекающим через него током от обмотПри использовании в конверторе транзисто- ки 11 через резистор 13. Сердечник дросселя 17 " ров с пасивным запиранием в качестве базовых перемагничивается под действием напряжения, обрезисторов использованы потенциометры, сред- >> мотки 16, подключенной к обмотке 19 через ние выводы которых через упомянутые разде- эмиттерный переход транзистора 4, диод 21 и лительные диоды и обмотки дросселя подклю- резистор 23, Цепь обмотки 18 разорвана диодомчены к эмиттерам транзисторов соответствующих 20, который заперт суммарным напряжением об "плеч=конвертора. - "" "" " = моток 15,18 и диода24, 675555

Время перемагничивания сердечника дросселя

17 всегда должно быть меньше времени перемагничивания сердечника трайсформатора б.

° В момент насыщения сердечника дросселя через эмиттерный переход транзистора 4 от об5 мотки 16 начинает протекать ток, ограниченный резистором 23, и вызывающий запирание транзистора 4. Меняется полярность напряжений на обмотках трансформатора. Открьвается транзистор 3, подключая обмотку 7 к.конденсатору 1, под действием напряжения которого сердечник трансформатора перемагничивается в противоположном направлении. Диод 21 запирается, разрывая цепь обмотки 19, а диод 20 открьвается, подключая обмотку 18 через эмиттерный переход транзистора 3 и резистор 22 к обмотке 15, под действием напряжения которой сердечник дросселя также перемагничивается в противоположном направлении. Далее процессы в конверторе проходят как и при открытом транзисторе 4, Максимальная величина сопротивления резистора 23 выбирается равной сопротивлению ре. зистора 14, а величина сопротивления резисто,ра 22 — в 2 — 3 раза меньше.

Симметрирование плеч конвертора осущест- вляется резистором 23. С увеличением его сопротивление уменьшается напряжение обмотки 19 и ток, запирающий транзистор 4, что приводит к увеличению длительности полупериода преобразования со стороны транзистора 4 за счет зо возрастания времени рассасывания избыточных носителей последнего и времени перемагничивания сердечника дросселя 17. С уменьшением сопротивления резистора 23 наблюдается про тивоположное явление, Рассмотрим вопросы, связанные с примене35 нием конденсатора 5.

В предлагаемом конверторе данный конденсатор используется с целью повышения устойчивости отсимметрированного состояния, т.е., 40 с помощью конденсатора 5 автоматически устраняется асимметрия в конверторе, вызванная изменением его тока нагрузки, температуры ок;. ружающей среды.

Механизм устранения асимметрии в коиверто= ре конденсатором 5 следующий. Допустим, что

45 транзистор 4 включен и длительность его включенного состояния (с учетом времени рассасывания) больше, чем у транзистора 3. Пока сердечник дросселя 17 не насыщен, конденсатор 5

50 заряжен до амплитудного значения напряжения обмотки 7 и на работу конвертора не оказывает влияния. В момент насыщения сердечника дросселя 17 в цепь базы транзистора 4 через диод- 21 поступает запирающий импульс тока.

В тарнзисторе 4 происходит процесс рассасьва. ния избыточных носителей, сопровождающийся малым увеличением коллекторного напряжения и уменьшением напряжений на обмотках

6 трансформатора. Если учесть, что: при переключении транзистора напряжение на конденсаторе

10 практически не меняется, то всякое незначительное уменьшение напряжения на обмотке

8 вызывает резкое уменьшение тока выпрямителя 9. Как только напряжение на обмотке 8 уменьшится на величину, равную прямому напряжению выпрямителя 9, последний запирается, отключая цепь нагрузки от конденсатора.

Далее трназистор 4 беспрепятствейно закрывается, а сердечник. трансформатора б. продолжает перемагничиваться в первоначальном направпении под действием энергии. заряженного конценсатора 5 до тех пор, пока напряжение на последнем не станет pRBHblM нулю. Затем прекращается рост магнитного потока в сердечнике трансформатора, меняется полярность напря жений на его обмотке и начинается заряд противоположной полярности конденсаюра 5 энергией, накопленной трансформатором 6. Но так как напряжение на обмотке 11 пропорционально величине напряжения на конденсаторе 5, то по мере его заряда прноткрьвается транзистор

3, осуществляя частичный его заряд энергией входного источника. В момент окончания заряда конденсатора 5 полностью открывается транзистор 3, подключая. обмотку 7 к конденсатору 1, в результате чего сердечники трансформатора и дросселя перемагничиваются в противоположном направлении, конденсатор 5 опять це оказывает влияния на работу конвертора, пока сердечник дросселя не насыщен, После его насыщения запирается транзистор 3, а сердечник трайсформатора продолжает перемагничиваться в неизменном направлении под действием приложенного к обмотке 7 напряжения на конденсаторе 5. Только теперь во времени этот процесс идет дольше, ибо в момент запирания транзистора 3 ток намагничивания трансформатора имел меньшую величину, чем в момент запирания транзистора 4, т.е. происходит автоматическое симметрирование работы плеч конвертора.

В варианте конвертора, представленном на фиг. 2, не используются дополнительные обмотки трансформатора б, и элементом, позволяющим устранить асимметрию, является базовый резистор 14. Конструктивно резистор 13 выполняется из двух одинаковых резисторов, соединенных последовательно.

В отличие от рассмотренного, в данном варианте конвертора при открытом транзисторе 4 сердечник дросселя 17 перемагничивается под действием приложенного k обмотке 19 через диод 21 напряжения, равного разности напряжений на обмотке 12 и на части резистора 14.

В это время диод 20 заперт, напряжением, равным сумме напряжений на обмотках 11 и 18 за вычетом половины напряжения на резисторе

675555

13. При насыщении сердечника дросселя ток обмотки 12 замыкается через обмотку 19, в результате ток эмиттерного перехода транзистора 4 близок к нулю, что приводит к запиранию последнего и т. д. При движении ползунка резистора 14 влево напряжение на обмотке 19 умейьшается, поэтому увеличивается длительность состояния транзистора 4; а при движещ4и его вправо наблюдается противоположное явле.ние, 0

Достоинствами конвертора,, изображенного на фиг. 2, являются простота схемы и широкий диапазон регулировки по устранению асимметрии. Но его можно выполнить на транзисторах, у которых при пассивном запирании время рассасывания избыточных носителей не превышает

15% от периода преобразования.

В вариант конвертора на фиг. 3, в отличие от изображенного на фиг. 1, введены дополнительными диодами 26 и 27, а обмотки 18 и 19 индуктивного элемента размещены на двух сердечниках 28 и 29.

Рассмотрим особенности работы конвертора, представленного на фиг. 3. При открытом тран25 зисторе 4 через его эмиттерный переход и диод

21 к дросселю 29 приложено напряжение обмотки 16; под действием которого его сердечник перемагничивается в прямом направлении. В это же время сердечник дросселя 28 перемагЗо ничивается в обратном направлении под действием напряжения обмотки 15, подключенной к дросселю через диод 26 и резистор 22. Сопротивление последнего должно быть таким, чтобы перемагничивание сердечника дросселя 28 заЗ5 канчивалось тогда, когда его магнитная индукция достигнет значения, соответствующего приблизительно середине. участка (+ Н,, -Я . 1 петли гистерезиса материала сердечника (здесь 8 остаточная индукция, Йя — индукция насыщения).

Когда сердечник дросселя 29 насыщается, от обмотки 16 через диод 21 следует мощный импульс тока, вызывающий интенсивное эапирание транзистора 4. При открытом транзисторе 3 через

его эмиттерный переход и диод 20 к дросселю

28 приложено напряжение обмотки 15, а через диод 27 и резистор 23 к дросселю 29 — напряжение обмотки 16 в результате чего сердечник первого дросселя перемагничивается в прямом найравлении, а сердечник второго — в обратном

50 направлении. Резистор 23 должен позволять в процессе регулировки устанавливать начальное значение магнитной индукш4и дросселя 29 в любой точке петли гистезиса между +Вг и — З З.

Вариант конвертора на фиг. 3 следует выпол55 нять, когда необходимо применить транзисторы, требующие интенсивное активное запирание и имеющее относительно большой разброс по времени рассасывания избыточных носителей.

При высоком входном напряжении 200 — 350 В в некоторых случаях необходимо применение мостового конвертора так как максимальное коллекторное напряжение его транзисторов, как и в полумостовом конверторе, не превышает величины входного напряжения, но в сравнении с последним при всех прочих равньи условиях позволяет получить на выходе в два раза большую мощность. Наиболее просто и рационально в нем реализовать идею по устранению асимметрии, примененную в полумостовом конверторе по фиг. 3.

ЛвухТактный конвертор, изображенный на фиг. 4, содержит четыре транзистора 3, 4, 30 и 31, включенных по схеме транзисторного моста; трансформатор 6, имеющий первичную обмотку 7, зашунтированную конденсатором, 5 и включенную в диагональ моста, вторичную обмотку 8, подсоединенную к выпрямителю 9 с емкостным фильтром 10, четыре обмотки положительной обратной связи 11, 12, 32 и 34, подключенные через резисторы 13;.14, 34 и

35 к эмиттерным переходам транзисторов, четыре дополнительных обмотки 15, 16, 36 и

37, две одинаковых двухобмоточных частотозадающих дросселя 17 и 38 с равным числом . витков в каждой обмотке, причем обмотки

18 и 19 дросселя 17 через дополнительные обмотки 15 и 37 и разделительные диоды 20 и

39 подключены к эмиттерным переходам тран зисторов 3 и 31 противоположных плеч.моста, а обмотка 40 и 41 дросселя 38 через дополнительные обмотки 36, 16 и разделительные диоды 42,, 21 — к эмиттерным переходам транзисторов 30 и 4; две цепочкй, каждая из: которых состоит из диода 26 (27) и резистора 22. (23).

Рассмотрим основные особенности работы данного конвертора, связанные в основном с про цессом перемагничивания сердечников дросселей. При открытых транзисторах 30 и 4 сердечник дросселя 38 перемагничивается в прямом направлении со стороны обмотки, подключенной к транзистору, имеющему меньшее прямое напряжение эмиттерного перехода. Так, например, если транзистор 4 имеет меньшее значение указанного напряжения, то диод 42 заперт, а сердечник дросселя 38 перемагничивается под действием напряжения обмотки 16, подключенной к обмотке 41 через диод 21 и эмиттерный переход транзистора 4. В это же время сердечник дросселя 17 перемагничивается в обратном направлении под действием напряжения обмотки 37, приложенного к обмотке 19 через диод 26 и резистор 22, В момент насыщения сердечника дросселя 38 откры-, вается диод 42 и через эмиттерные переходы! транзисторов 30 и 4 проходят синхронно от эбмоток 36 и 16 мощные импульсы тока, вы675555

9 зывающие интенсивное залирание указанных транзисторов. При откпытых транзисторах 3 и 31 сердечник дросселя 17 перемагничивается .

Ф в прямом направлении со стороны либо обмотки 18, либо обмотки 19, а сердечник дроссе5 ля 38 — в обратном направлении под действием напряжения обмотки 16, подключенной к обмотке 41 через диод 27 и резистор 23. В остальном процессы, происходящие в данном конверторе, такие же, как и в конверторе по фиг. 3.

Формула изобретения

1. Двухтактный конвертор, содержащий мост, одно плечо которогр образовано транзисторами, а другое конденсаторами, трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ моста, вторичная — через выпрямитель и ем.костный фильтр подсоединена к выходным выводам конвертора, а обмотки положительной обратной связи — через базовые резисторы

20 подключены к базо-эмиттерным переходам соответствующих транзисторов, двухобмоточный частотозадающий индуктивный элемент, обмотки которого связаны через разделительные диоды и дополнительные обмотки трансформатора с укаэанными баэо-эмиттерными переходами,-о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения схемы и расширения диапазона регулировки при одновременном устранении асимметрии, параллельно первичной обмотке трансформатора включен кондснсатор, а каждая обмотка индуктивного элемента связана с резистором, причем по меньшей мере один из них является регулируемым.

2. Конвертор по и. 1, о т л и ч а ю щ и й5 с я тем, что указанная связь осуществлена

10 через два дополнительно введенных резистора, каждый из которых включен последовательно с обмоткой упомянутого индуктивного элемента, 3, Конвертор по п. 1; о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при использовании в нем транзисторов с пассивным задиранием в качестве базовых резисторов использованы потенциомет, ры, средние выводы которых через упомянутые разделительные диоды и обмотки дросселя подключены к эмиттерам транзисторов соответствующих плеч конвертора.

4. Конвертор по и. 2, о т л и ч а 1о щ и йс я тем, что, при использовании в нем транзисторов с активным запиранием обмотки индуктивного элемента размещены на двух сердечниках, а конвертор снабжен дополнительными диодами, каждый из которых одним концом соединен с общей точкой соединения одного вывода соответствующей .обмотки индуктивного элемента и разделительного диода, а другим — через один из введенных резисторов и упомянутую дополнительную обмотку с дру. гим выводом обмотки индуктивного элемента.

Приоритет по п, 3 исчислять с 08.12.75, по п.4-с 23.02.76.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Радиотехника", 1968, т. 3, N 8, с, 66-69.

2. Заявка У 2135686/07 от 20.05.75, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства.

3. Заявка N 2166576/07 от 18.08.75, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства.

675555 Составитель Г. Огнев

Техред 3. Фанта Корректор М По

Редактор О. Стенина

Закаэ 4325/47

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Тираж 856 Подписное

ЦНИИПЦ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб;, д. 4/5