ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР

ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР


RU (11) 2043694 (13) C1

(51) 6 H02M3/335 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5066657/07 
(22) Дата подачи заявки: 1992.09.28 
(45) Опубликовано: 1995.09.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Ромаш Э.М. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи, М.: Радио и связь, 1988 г., с. 140, рис. 5.5а. 2. Ионов И.П. Магнитные элементы дискретного действия. М.: высшая школа, 1968, с.284. 3. Ромаш Э.М. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь. 1988, с.140, р.5.5б. 
(71) Заявитель(и): Хозрасчетный научно-технический центр "Диво" 
(72) Автор(ы): Александров Д.М.; Букреев В.Г.; Гинзбург С.Л.; Сиротин Е.К. 
(73) Патентообладатель(и): Хозрасчетный научно-технический центр "Диво" 

(54) ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР 

Использование: при проектировании вторичных источников питания. Сущность изобретения: устройство содержит первый транзистор VT1 через первичную обмотку трансформатора Тр и резистивный датчик тока в виде резистора R3 присоединенный к входным выводам. Вход транзистора VT1 шунтирован силовой цепью транзистора VT2, в цепь базы которого включен индуктивный элемент L, который поддерживает базовый ток транзистора VT2 после снижения напряжения на резисторе R3. Транзистор VT2, поддерживает транзистор VT1 в открытом состоянии, в то время, когда ток в обмотке обратной связи еще не успел изменить своего направления, это позволяет исключить перегрузки по току и напряжению в транзисторе VT1. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования одного уровня напряжения в другой с гальванической развязкой источника и приемника электрической энергии.

Известно устройство, состоящее из транзистора, трансформатора с тремя обмотками, двух резисторов, диода и конденсатора [1] Недостатками этого устройства являются большим коммутационные потери и значительная зависимость этих потерь от коэффициента усиления базового тока . Коммутационные потери велики из-за низкого быстродействия положительной обратной связи, возникающей при запирании транзистора в контуре: коллектор первого транзистора, первичная обмотка трансформатора, обмотка обратной связи трансформатора, база транзистора. Быстродействие обратной связи ограничивается индуктивностями рассеяния трансформатора [2] Существование этих индуктивностей приводит к тому, что ток обмотки обратной связи, равный току базы Iб транзистора, не может изменить своего направления одновременно с изменением полярности напряжения в первичной обмотке. Ток изолятора Iк транзистора, равный току первичной обмотки, нарастает линейно до тех пор, пока не достигает величины Iкм Iб. Дальнейший рост тока Iк невозможен, поэтому напряжение на первичной обмотке уменьшается до 0, а на транзисторе увеличивается до напряжения питания Uп. Это приводит не к прекращению тока обмотки обратной связи и тока Iб, а из-за инерционности индуктивностей рассеяния лишь к некоторому его уменьшению. Вместе с базовым уменьшится и коллекторный ток Iк, а напряжение на коллекторе увеличится до значения Uп + Uвых n1/n2, где Uвых напряжение на выходе инвертора; n1, n2 соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Коллекторный ток транзистора прекратится лишь после того, как ток в обмотке обратной связи, изменив знак, превысит ток смещения Iсм Uп/Rсм, протекающий через резистор Rсм. Таким образом, в устройстве существует такой режим транзистора, когда на коллекторе напряжение Uп + Uвых n1/n2, а ток коллектора близок к Iкм. Причем длительность этого режима составляет несколько сотен наносекунд. Это обуславливает значительные коммутационные потери в устройстве, приводящие к перегреву транзистора, и как следствие к снижению надежности устройства и уменьшению его КПД.

Зависимость коммутационных потерь от коэффициента усиления базового тока обусловлена следующим. Базовый ток Iб транзистора в этом устройстве не зависит от коэффициента . Транзистор закроется после того, как ток коллектора превысит величину Iкм Iб. Поэтому ток, при котором транзистор закрывается, а, следовательно и коммутационные потери пропорциональны коэффициенту . Поскольку разброс коэффициентов транзисторов одного типа обычно составляет 200-300% то коммутационные потери у транзисторов с максимальным коэффициентом будут втрое больше, чем у транзисторов с минимальным . Большие коммутационные потери ведут к перегреву транзистора, особенно с большим коэффициентом и, следовательно, к снижению надежности и КПД устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство [3] состоящее из двух транзисторов, трансформатора с тремя обмотками, трех резисторов, диода и конденсатора. В этом устройстве запирание первого транзистора происходит в тот момент, когда ток его эмиттера достигает определенной величины Iэм, определяемой напряжением отпирания второго транзистора Uб и резистором R2 в эмиттерной цепи первого транзистора Iэм Uб/R2. Разброс напряжений Uo не превышает 10% у транзисторов одного типа, поэтому запирание первого транзистора происходит практически при одинаковом токе независимо от . Здесь исключается перегрев транзисторов с большим по сравнению с транзисторами с малыми . Надежность и КПД устройства выше, чем у ранее рассмотренного, но остаются на низком уровне из-за значительных коммутационных потерь. Эти потери обусловлены также, как и в предыдущем устройстве, низким быстродействием положительной обратной связи, возникающей при запирании первого транзистора.

Для повышения надежности и увеличения КПД в однотактном инверторе, содержащем первый и второй транзисторы, первый, второй и третий резисторы, трансформатор с обмотками первичной, вторичной и обратной связи, диод, конденсатор, один вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, другой вывод с началом первичной обмотки транзистора, второй резистор подсоединен между базой первого транзистора и началом обмотки обратной связи, третий резистор подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец первичной обмотки соединен с коллектором первого транзистора, конец обмотки обратной связи соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с базой первого транзистора, цепь из последовательно соединенных диода и конденсатора подсоединена к выводам вторичной обмотки, анодом диода соединяясь с концом вторичной обмотки, дополнительно введен индуктивный элемент между базой второго и эмиттером первого транзисторов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового элемента индуктивного элемента между базой второго и эмиттером первого транзистора. Это соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями в данной и смежной областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Это соответствует критерию "существенные отличия".

Совокупность заявленных признаков в однотактном инверторе позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении надежности его работы и КПД. Это достигается тем, что вновь введенный индуктивный элемент, подсоединенный между базой второго транзистора и эмиттером первого транзистора, задерживает базовый ток второго транзистора. Поэтому запирание первого транзистора осуществляется шунтированием его базо-эмиттерного перехода вторым транзистором, а не действием положительной обратной связи, обладающей значительной инерционностью. В результате этого снижаются коммутационные потери, повышаются КПД и надежность устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема однотактного инвертора; на фиг.2 временная диаграмма, поясняющая его принцип действия.

Однотактный инвертор состоит из транзисторов первого VT1 и второго VT2, из резисторов первого R1, второго R2, третьего R3, трансформатора Тр с обмотками первичной W1, вторичной W2, и обратной связи W3, имеющие соответственно n1, n2, n3 витков, диода VD, конденсатора С, индуктивного элемента L. Один вывод резистора R1 соединен с базой транзистора VT1, другой вывод с началом обмотки W1, второй резистор R2 подсоединен между базой транзистора VT1 и началом обмотки W3, резистор R3 подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец обмотки W1 соединен с коллектором VT1, конец обмотки W3 соединен с эмиттером VT2, коллектор транзистора VT2 соединен с базой транзистора VT1, индуктивный элемент L подсоединен между базой транзистора VT2 и эмиттером транзистора VT1, цепь из последовательно соединенных диодов VD и конденсатора С подсоединена к выводам обмотки W2, анодом диода, соединяясь с концом обмотки W2.

Устройство работает следующим образом. В момент to на схему подается напряжение питания Uп, транзистор VT2 закрыт, транзистор VT1 открывается током смещения Iсм (Uп Uэб1)/R1 Uбэ1/R2, где Uбэ1 напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1, поступающим в базу этого транзистора через резистор R1. К обмотке W1 прикладывается напряжение питания, с момента to начинается этап накопления энергии в сердечнике трансформатора Тр. Поскольку к диоду VD приложено запирающее напряжение и ток в обмотке W2 отсутствует, то ток в обмотке W1, равный току Iк1 коллектора транзистора VT1, растет линейно Iк1 Uп/L1.t, где L1 индуктивность обмотки W1. Ток в резисторе R2 начинает увеличиваться и в момент t2 достигает величину IR2 (Uп.n3/n1 UR3 Uбэ1)/R2. Длительность интервала (to, t1) определяется индуктивностями рассеяния трансформатора. Ток IR2 до момента t2 до тех пор, пока закрыт транзистор VT2, замыкается через базо-эмиттерный переход VT1 и резистор R3. До этого момента он равен базовому току Iбэ транзистора VT1, если пренебречь весьма малой величиной тока Iсм. Ток эмиттера Iэ1 транзистора VT1 складывается из токов Iк1 и Iб1. Напряжение UR3 на резисторе R3 до момента t2 пропорционально току Iэ1 . UR3 [Uп/L1.t + (Uп.n3/n1 UR3 Uбэ1)/R2]R3. Длительность интервала (t1, t2) можно определить из условия UR3 Uo, где Uo величина, по достижении которой напряжением UR3 начинается отпирание транзистора VT2. Начиная с момента t2, когда напряжение UR3 превышает Uo, часть эмиттерного тока Iэ1 начнет поступать в базу VT2 через индуктивный элемент L. Появление базового тока Iб2 приводит к отпиранию Vt2. Его коллекторный ток начнет нарастать. При этом начнет уменьшаться ток Iб1, он даже изменит знак во время рассасывания избыточных носителей в базе VT1. К концу процесса рассасывания момент t3 ток Iк1 достигнет значения Iкм. Длительность интервала (t2, t3) определяется степенью насыщения транзистора VT1, коэффициентом усиления базового тока транзистора VT2, величиной индуктивного элемента L. По окончании процесса рассасывания в момент t3 напряжение на коллекторе транзистора VT1 станет равным Uкэ1 Uп + Uвыхх хn2/n1 + UL1, где UL1 выброс напряжения, обусловленный индуктивностью рассеяния обмотки W1. Одновременно ток Iк1 уменьшится до 0 транзистор VT1 закроется. Режим когда напряжение на коллекторе равно Uп + Uвых n2/n1, а ток близок к Iкм здесь исключен благодаря тому, что шунтирующее действие транзистора VT2 на базо-эмитерный переход VT1 сохраняется и при снижении напряжения UR3 до величины меньшей, чем Uo. Шунтирующее действие VT2 сохраняется на протяжении интервала (t3, t4) до тех пор, пока не появится запирающий ток в обмотке W3. Шунтирующее действие VT2 достигается тем, что при уменьшении Iэ1 и снижении UR3 до 0, транзистор VT2 остается открытым потому, что в это время и в течение всего интервала (t3, t4) в базу VT2 продолжает поступать отпирающий ток Iб2, поддерживаемый индуктивным элементом L (методика расчета индуктивности L в приложении). При этом ток Iб2 несколько уменьшится по величине, а после того, как ток IR2 изменит знак, в момент t4 базоколлекторный переход транзистора VT2 сместится в прямом направлении, ток Iб2 увеличится и станет равным Iк2 и IR2, так как ток обмотки W3 будет протекать по цепи: резистор R2, базоколлекторный переход транзистора VT2, резистор R3. Длительность интервала (t3, t5) определяется индуктивностями рассеяния трансформатора Тр. В момент t3 момент запирания транзистора VT1 ток в обмотке W1 прекратится. В этот же момент появится ток в обмотке W2 и в диоде VD величиной IVDM IKM хn1/n2. Начинается этап расхода энергии, накопленной сердечником трансформатора. Ток в обмотке W2 и диоде VD будет спадать по линейному закону IVD IVDM (Uвых + +UVDO)/L2.t, где UVDO напряжение на открытом диоде VD, L2 индуктивность вторичной обмотки W2. Длительность импульса тока IV2 интервал (t3, t5) определяется из условия IVD 0. В момент t5, когда ток IVD прекратится, напряжение на обмотках трансформатора, ток IR2 начнут уменьшаться. К моменту t7 они станут равными нулю. Длительность интервала (t5, t6) зависит от емкости базоколлекторного перехода транзистора VT1 от времени обратного восстановления диода VD, от индуктивностей обмоток. В момент t7 завершается этап расхода энергии, накопленной сердечником трансформатора. С момента t7 описанный цикл работы инвертора повторится. Конденсатор С, подключенный к выводам вторичной обмотки, служит для сглаживания пульсаций выходного напряжения Uвых.

Таким образом, введенный индуктивный элемент L поддерживает базовый ток транзистора VT2 даже после снижения напряжения UR3 до 0. В результате этого открытый транзистор VT2 шунтирует базо-эмиттерный переход транзистора VТ1 в то время, когда ток обмотки обратной связи еще не успел изменить своего направления на запирающее. Поэтому в заявляемом инверторе отсутствует режим, когда напряжение и ток в транзисторе VT1 одновременно близки к своим максимальным значениям. Это ведет к снижению коммутационных потерь и, следовательно, к повышению КПД, повышению надежности. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР, содержащий первый и второй транзисторы, первый, второй и третий резисторы, трансформатор с обмотками первичной, вторичной и обратной связи, диод, конденсатор, один вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, другой вывод с началом первичной обмотки трансформатора, соединенным с первым входом выводом, второй резистор подсоединен между базой первого транзистора и началом обмотки обратной связи, третий резистор подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец первичной обмотки соединен с коллектором первого транзистора, конец обмотки обратной связи соединен с вторым входным выводом и с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с базой первого транзистора, цепь из последовательно соединенных диода и конденсатора, подключенного к выходным выводам, подсоединена к выводам вторичной обмотки, анодом диода соединяясь с концом вторичной обмотки, отличающийся тем, что между базой второго и эмиттером первого транзисторов включен введенный индуктивный элемент.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru