Транзисторный инвертор
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4393329/07 (22) 25.01.88 (46) 30.05,93. Бюл. % 20 (71) Киевский научно-исследовательский институт гидроприборов (72) В. Н. Скачко (56) Заявка Японии М 49-21849, кл. Н 02 M
7/52, 1974.
2. Авторское свидетельство СССР
Мг 1.206758, кл. G 05 F 1/56, 1986. (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР (57) Использование; в технике преобразования параметров электрической энергии, в частности из постоянного напряжения в переменное. Сущность изобретения: инвертор состоит из ключевого преобразователя, имеющего первый и второй транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому входному выводу задающего генератора с двумя инверсными выходами, двух логических элементов, предварительного усилителя, входами подключенного к выходам логического элемента, а выходами — к базам транзисторов, и из трансформатора с первичной обмоткой, средней точкой подключенной к второму входному выводу, а крайними выводами — к коллекторам транзисторов. Дополнительные третий и четвертый транзисторы переходами коллектор-эмиттер шунтируют база-эмиттерные переходы первых двух. Этими тран-.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания преобразующих устройств автоматики и стабилизированных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры, преимущественно при напряжении первичного
„„Я3„„1818673 А1 зисторами и логическими элементами управляют введенные в инвертор пятый и шестой транзисторы. Трансформатор снабжен второй обмоткой со средней точкой, имеющей меньшее число витков, чем первая, и к этой обмотке подключены коллекторы седьмого и восьмого транзисторов, на которых выполнен предварительный усилитель мощности. Седьмой и восьмой транзисторы имеют по базам и эмиттерам включение, характерное для составных транзисторов относительно первых двух транзисторов ключевого преобразователя. По базам пятый и шестой транзисторы управляются установившимися уровнями напряжения в течение данного полупериода от коллекторов транзисторов через подключенные к ним резисторы и устанавливающими эти уровни всплесками напряжений через RCцепи от коллекторов седьмого и восьмого транзисторов, базы которых через резисторы подключены к выходам логических элементов. Одновременное управление а парами транзисторов позволяет блокировать база-эмиттерные переходы транзи.сторов в нерабочие полупериоды л
i и задерживать включение каждого из них в р последующем полупериоде на время запаздывания выключения транзистора, ра- СО ботавшего в предшествующем полупериоде. 2 з. и. ф-лы, 2 ил. источника 3-15В, частотах преобразования 5 — 15 кГц, мощностью до 10 Вт, небольшом диапазоне нагрузки и при применении силовых транзисторов по воз. можности с малым временем рассасывания.
i 818673
Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия, На фиг. 1 и 2 представлены схемы транзисторного инвертора с логическими элементами соответственно для случаев применения в нем транзисторов и-р-и и р-ир
Транзисторный инвертор с логическими элементами состоит из ключевого преобразователя 1 с первым 2, вторым 3, третьим 4 и четвертым 5 транзисторами, из генератора 6 прямоугольных колебаний с взаимно инверсными выходами 7 и 8, первого 9 и второго 10 логических элементов ИЛИ-НЕ или И-Н Е в зависимости от типа проводимости применяемых в инверторе транзисторов; и-р-п или, соответственно, р-п-р, из пятого 11 и шестого 12 транзисторов, первой RC-цепи 13, выполненной на последовательно соединенных первом резисторе! 4 и первом конденсаторе 15, второй RC-цепи 16 на втором резисторе 17 и втором конденсаторе 18, которые также последовательно соединены между собой, из третьего 19, четвертого 20, пятого 21, шестого 22 рази- 25 сторов, из предварительного усилителя мощности 23, содержащего седьмой 24., восьмой 25 транзисторы и седьмой 26 и восьмой 27 резисторы, а также из транзистора 28 с двумя обмотками 29 и 30 со сред- 30 ними точками, причем обмотка 30 имеет меньшее число витков, и с обмоткой 31, являющейся в данном случае выполнения выходом инвертора. Выходы 7, 8 генератора 6 прямоугольного напряжения, который может быть активным или пассивным(триггер), подключены к первым входам логических элементов 9, 10, выходы которых соединены с первым и вторым входами предварительного усилителя мощности 23, в котором они 40 через резйсторы 26 и 27 подключены соответственно к базам транзисторов 24 и 25, эмиттеры которых подключены через соответственно первый и второй выходы и первый и второй входы ключевого 45 преобразователя к базам его транзисторов
2 и 3, а коллекторы транзисторов 24, 25 через образуемые ими третий и четвертый выходы предварительного усилителя 23 подключены соответственно к началу и кон- 50 цу обмотки 30 трансформатора 28,:Змиттеры транзисторов 2-5 ключевого преобразователя 1 подключены к первой шине питания. Коллекторы транзисторов 2 и 3 через образуемые ими первый и второй выходы ключевого преобразователя подключены соответственно к началу и концу обмотки 29 трансформатора 28, средняя точка которого вместе со средней точкой обмотки 29 подключены ко второй шине питания. База транзистора 11 через RC-цепь
13 и резистор 19 соединена соответственно с третьим выходом предварительного усилителя мощности и первым выходом ключевого преобразователя 1. Аналогично база транзистора 12 через RC-цепь 16 и резистор
20 соединена с четвертым выходом предварительного усилителя мощности 23 и вторым выходом ключевого преобразователя 1.
Эмиттеры транзисторов 11 и 12 через третий и четвертый входы ключевого преобразователя соединены с базами транзисторов
4 и 5 соответственно, а их коллекторы подключены ко вторым входам логических элементов соответственно 10 и 9 и через резисторы 21 и 22 — ко второй шине питания.
Работает инвертор (см. фиг. 1) следующим образом, В исходном состоянии транзисторы 11, 4, 12, 6 открыты за счет тока от положительной шины питания по половине обмотки 29, резистору 19 и последовательно соединенным переходам база-эмиттер транзисторов 11, 4 и аналогично этому — по второй половине обмотки 29, резистору 20 и последовательно соединенным переходам база-эмиттер транзисторов 12 и 5. В силу того, по падение напряжения на переходах коллектор-амиттер маломощных транзисторов 4,5 всегда меньше напряжения переходов база-змиттер мощных транзисторов 2, 3 в состоянии их проводимости, переходы коллектор-эмиттер открытых транзисторов
4, 5 блокируют переходы база-эмиттер транзисторов 2, 3, а через переходы коллекторэмиттер транзисторов 11, 12 на вторыхвходах логических элементов ИЛИ-НЕ 10, 9 устанавливаются логические нули. Как только на первом входе одного из этих логических элементов, допустим 9, оТ feKepBTop8
6 прямоугольного напряжения тоже появится логический нуль (от его выхода 7), на выходе данного логического элемента образуется логическая единица, пойдет базовый, а, значит, и коллекторный ток транзистора
24, причем ток от его эмиттера пойдет сначала не через переход база-эмиттер транзистора 2, а через переход коллектор-эмиттер транзистора 4, которым транзистор 2 блокирован. За счет возникшего падения напряжения,на коллекторе транзистора 24 через
RC-цепь 13 на базу транзистора 11 будет передан отрицательный всплеск и он одновременно с транзистором 4 закроется. Теперь ток эмиттера транзистора 24 пойдет на база-эмиттерный переход транзистора 2 и он откроется. Пойдет ток по половине обмотки 29 от положительной шины питания на коллектор транзистора 2, Так как потенциал коллектора транзистора 2 понизится, транзисторы 11 и 4 будут оставаться закры1818673
55 тыми и после окончания всплеска от RC-цепи 13, так как падение напряжения перехода коллектор-эмиттер открытого (до насыщения) транзистора 2, даже если он мощный, меньше суммарного напряжения переходов база-эмиттер двух маломощных транзисторов 11 и 4. На время закрытого состояния транзистора 11 второй входлогического элемента 10 примет положительный потенциал благодаря его связи через резистор 21 с положительной шиной питания.
После смены полупериодов генератора
6 прямоугольного напряжения транзисторы
24, 2 (особенно 2) закрываются с задержкой из-за явления рассасывания в них неосновных носителей. До тех пор, пока транзистор
2 остается открытым, на втором входе логического элемента 10 будет поддерживаться логическая единица, на его выходе — логический нуль и транзисторы 25 и 3 не откроются. После фактического выключения транзистора 2, когда возрастает потенциал его коллектора, откроются транзисторы 4 и
11, в результате чего заблокируется снова транзистор 2 по переходу база-эмиттер и исчезнет логическая единица со второго входа логического элемента 10, что при наличии логического нуля на первом его входе (от выхода 8 генератора прямоугольного напряжения) приведет к открыванию транзистора 25 и развитию всех тех же процессов во втором полупериоде, которые приведут к закрыванию транзисторов 12 и 5(всплеском отрицательной полярности со стороны RCцепи 17), открыванию транзистора 3, удерживанию транзисторов 12 и 5 в закрытом состоянии и протягиванию во времени наличия запрещающей логической единицы на втором входе логического элемента 9, пока фактически не выключится транзистор 3 после очередной смены полупериодов генератора 6 и станет допустимым включение транзисторов 24 и 2.
Включение транзисторов 24, 25 по отношению к транзисторам 2, 3 близко к составному (эмиттеры первых соединены с базами последних), Но составное включение транзисторов, решая задачу согласования выходов логических элементов в микросхемном исполнении с базами силовых транзисторов (при непосредственном соединении коллекторов основного и согласующего транзисторов) не позволяет достичь их насыщения и снизить потери мощности. Известно (cM. например, О. A. Коссов. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений.
M.: Энергия, 1971, с. 114), что насыщение получается, если напряжение коллектора согласующего транзистора будет выше на5
40 пряжения коллектора основного транзистора.
В заявленном инверторе это обеспечивается тем, что как основные силовые транзисторы 2 и 3, так и согласующие 24, 25, нагружены на полуобмотки одного и того же трансформатора 28, Когда включится один из силовых транзисторов, допустим 2, с полуобмотки трансформатора 28, на которую он нагружен, будет трансформироваться напряжение на полуобмотку, относящуюся к его согласующему транзистору 24 и, поскольку она содержит меньше витков, чем основная полуобмотка, на коллекторе транзистора 24 напряжение будет равным напряжению сети за вычетом индуцированного напряжения в относящуюся к нему полуобмотку. С точки зрения максимального КПД при выборе коэффициента трансформации между обмотками 29, 30 следует исходить из того, чтобы разница амплитуд переменных напряжений полуобмоток была равна сумме падений напряжений на переходах база-эмиттер и коллектор-эмиттер соответственно основного и согласующего транзисторов. В такой схеме происходит автоматическое удержание насыщенного состояния силового транзистора: уход его из этого состояния в рабочем для него полупериоде вызывает уменьшение величины индуцированного напряжения в полуобмотку согласующего транзистора, а значит. и увеличение коллекторного напряжения этого транзистора, что способствует поддержанию величины базового тока силового транзистора. Вместе с тем,.мощность, выделяемая в коллекторных цепях согласующих транзисторов, которыми является дополнительная обмотка 30 трансформатора, добавляется к мощности, отдаваемой в нагрузку основными транзисторами.
Транзисторы 4 и 5 выполняют роль электронных ключей. заменяющих резисторы между базой и эмиттером силовых транзисторов 2 и 3, которые обычно должны быть малой величины (не больше 10 Ом). Но физически эти резисторы нужны лишь когда транзисторы закрыты, а в открытом состоянии они бесполезны, так как на них рассеивается часть мощности управления. Каждый из этих ключей во время работы относящегося к ним силового транзистора закрыт и, наоборот, открывается сам, когда закрывается обслуживаемый им силовой транзистор.
Управление вторыми входами логических элементов 10 и 9 со стороны транзисторов 11 и 12. переключающимися одновременно с транзисторами 4 и 5, позволяет устранить
1818673
40
55 одновременную работу силовых транзисторов 2, 3 (и согласующих транзисторов 24, 25), чем предотвращаются "сквозные" токи (токи "перекрытия"), уменьшающих надежность и КПД инвертора.
Инвертор на р-и-р-транзисторах (фиг. 2) работает таким же образом с тем отличием, что если логические элементы ИЛИ-НЕ инвертора с и-р-о-транзисторами управляются логическими нулями по их совпадению на обоих входах, то в инверторе на р-и-р-транзисторах логические элементы И-НЕ управ ляются логическими единицами при их одновременном присутствии на двух входах такого логического элемента. Исходным уровнем на вторых входах элементов И-НЕ инвертора по фиг, 2 являются логические единицы, поступающие на эти входы ст коллекторов открытых транзисторов 11 и 12 типа р-и-р. С поступлением от генератора 6 логической единицы на первый вход одного .из логических элементов 9 и 10 на его выходе устанавливается логический нуль, наступает состояние проводимости относящегося к нему согласующего транзи, стара 24 или 25, что кладет начало вышеописанным процессам при противоположной полярности. напряжений на электродах транзисторов.
Настоящий транзисторный инвертор с логическими элементами может работать, подобно прототипу, в режиме внешнего управления, являясь в этом случае регулируемым.
Такое управление можно осуществить, например, применив логические элементы с тремя входами, подавая на третьи входы сигналы управления. На время, когда на третьих входах на части продолжительности полупериода будет логическая единица для элементов ИЛИ-НЕ или логический нуль для элементов И-НЕ, в выходном напряжении инвертора будет пауза-одинаковая по длительности в каждом полупериоде. Так становится возможным создание регулируемого инвертора по принципу широтно-импульсной модуляции, что присуще прототипу.
Подключение широтно-импульсного модулятора к инвертору возможно не только через вводимые третьи входы логических элементов, но и при использовании двухвходовых логических элементов, если последовательно с какими-либо их входами установить дополнительные резисторы.
Тогда широтно-импульсный модулятор может быть подключен к этим снабженным дополнительными резисторами входам, при этом выходной каскад широтно-импульсноro модулятора должен работать на изменение (в части полупериода) логического нуля (если используются логические элементы
ИЛИ-НЕ) или логической единицы (при логических элементах И-Н Е) на и роти воположный логический уровень. Это может быть реализовано, например, включением коллектор-эмиттерных переходов транзисторов выходных каскадов таких широтно-импульсных модуляторов между входами логических элементов, используемых для управления, и первой шиной питания (противоположной той, к которой подключены резисторы 21, 22).
Выходом заявленного транзисторного инвертора может быть не только отдельная обмотка его трансформатора, но и непосредственно коллекторы силовых транзисторов 2, 3, что удобно, например, для удвоения напряжения первичного источника питания.
Предложенный транзисторный инвертор с логическими элементами выгодно отличается от прототипа тем, что он позволяет получить большую выходную мощность при большем КПД. Это стало возможным благодаря тому, что: выходные сигналы логических элементов, имеющих ограниченную нагрузочную способность, усиливаются двумя противофазными промежуточными (не классически составными) каскадами, в коллекторы транзисторов которых включена дополнительная обмотка трансформатора инвертора. На обслуживание этого каскада не требуется дополнительная мощность и обеспечивается оптимальный режим (c автоматическим поддерживанием) насыщения силовых транзисторов; для того, чтобы управлять транзисторами 11, 12, реализующими совместно с логическими элементами 10, 9 функцию автоматической задержки включения силовых транзисторов, не требуется дополнительной энергии. Для управления этими транзисторами и дополнительными ключевыми транзисторами 4, 5 используются одни и те же управляющие сигналы, так как база-эмиттерные переходы пар транзисторов 11, 4 и 12, 5 включены последовательно и управление ими совместимо.
Полезным является также и то, что резисторы, включаемые параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов, могут отсутствовать, их роль выполняют дополнительные ключевые транзисторы, чем исключаются потери мощности управления силовыми транзисторами; инвертор может работать в режиме внешнего управления по принципу широтно-импульсной модуляции.
1818673
Формула изобретения
1. Транзисторный инвертор, содержащий первый и второй транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому входному выводу инвертора, коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, отвод от средней точки которой соединен с вторым входным выводом инвертора, а базы соединены с первыми парафазными выходами предварительного усилителя, парафазными входами соединенного с выходами первого и второго логических элементов, первые входы которых подключены к выходу задающего генератора, причем трансформатор имеет дополнительную обмотку с отводом от средней точки, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены две последовательные RC-цепочки, третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом третий и четвертый транзисторы соединены коллектором с базой, эмиттером — c эмиттером соответственно первого и второго транзисторов, а базоД с эмиттером coarserственно пятого и шестоготранзистооов, коллекторы которых соединены с вторым входом соответственно второго и первого логических элементов и через введенные первый и второй резисторы — с вторым входным выводом инвертора, а базы через соответствующие последовательные RC-цепочки — с крайними выводами дополнительной обмотки, отводом от сред5 ней точки подключенной к второму входному выводу инвертора, и через введенные третий и четвертый резисторы — с коллекторами соответственно первого и второго транзисторов, при этом предварительный
10 усилитель выполнен на седьмом и восьмом транзисторах, эмиттер каждого из которых соединен с соответствующим первым парафазным выходом предварительного усилителя, коллектор — с соответствующим
15 крайним выводом дополнительной обмотки трансформатора, а база через соответственно пятый и шестой резисторы — с соответствующим парафазным входом предварительного усилителя, 20 2. Инвертор по и, 1, отличающийся тем, что все транзисторы выполнены с проводимостью п-р-п-типа, а все логические элементы — ИЛ И-Н Е-типа.
3. Инвертор поп.1, отл и чаю щи йся
25 тем, что все транзисторы выполнены с проводимостью р-п-р-типа, а все логические элементы — И-Н Е-типа, 1818673
Составитель В,Скачко
Техред М,Моргентал
Корректор Л.Пилипенко
Редактор A,Êîëÿäà
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 1940 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, влосква, Ж-35, Раушская наб„4/5
