транзисторный преобразователь постоянного напряжения

Формула изобретения

ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий двухтактную автогенераторную инверторную ячейку с выходным трансформатором, соединенным одной из своих обмоток с первичной обмоткой переключающего трансформатора через частотозадающий элемент, отличающийся тем, что частотозадающий элемент выполнен в виде управляемого нелинейного дросселя, на сердечнике которого ортогонально расположены рабочая обмотка и управляющая обмотка, создающие в кернах сердечника параллельные магнитные поля, причем рабочая обмотка включена последовательно с первичной обмоткой переключающего трансформатора, а управляющая обмотка подключена к регулируемому источнику постоянного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания, и может быть использовано для преобразования постоянного напряжения в переменное в устройствах электроники и автоматики.

Известен преобразователь, в котором используется переключающий трансформатор [1]

Недостатком такого преобразователя является наличие резистора в цепи обратной связи и, как следствие, дополнительные потери мощности.

Наиболее близким к изобретению является транзисторный преобразователь постоянного напряжения [2] содержащий инверторную ячейку с выходным трансформатором, причем первичная обмотка переключающего трансформатора соединена последовательно с конденсатором и двумя встречно-последовательными стабилитронами, образующими частотозадающий элемент схемы.

Недостатком этого преобразователя является относительно низкий КПД за счет дополнительных потерь мощности в цепи обратной связи, обусловленных наличием стабилитронов, а также в трансформаторах и в их базовых цепях из-за неблагоприятной формы импульсов базового тока.

Цель изобретения повышение КПД преобразователя.

Цель достигается тем, что в транзисторном преобразователе постоянного напряжения, содержащем двухтактную автогенераторную инверторную ячейку с выходным трансформатором, соединенным одной из обмоток с первичной обмоткой переключающего трансформатора через частотозадающий элемент, указанный элемент выполнен в виде управляемого нелинейного дросселя, на сердечнике которого ортогонально расположены рабочая и управляющая обмотки, создающие в кернах сердечника параллельные магнитные поля, рабочая обмотка включена последовательно с первичной обмоткой переключающего трансформатора, а управляющая обмотка подключена к регулируемому источнику постоянного тока.

Сущность изобретения заключается в том, что введение управляемого нелинейного дросселя позволяет значительно уменьшить потери активной мощности в цепях обратной связи благодаря следующим факторам. Активное сопротивление обмотки дросселя значительно ниже эквивалентного активного сопротивления стабилитpонов в прототипе. В предлагаемом преобразователе импульсы базового тока транзисторов имеют более благоприятную форму, чем в прототипе за счет значительно меньшего спада плоской части импульса, а следовательно, и потери в транзисторах и базовых цепях транзисторов предлагаемого преобразователя значительно ниже соответствующих потерь в прототипе.

На фиг. 1 представлена схема транзисторного преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2 изображен вариант управляемого дросселя, где W_p рабочая обмотка, W_у управляющая обмотка.

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения содержит переключающий трансформатор 1 с первичной обмоткой 2 и двумя вторичными обмотками 3 и 4, имеющими равное количество витков, ключевые элементы 5 и 6, управляемый дроссель 7 с управляющей 8 и рабочей 9 обмотками, выходной трансформатор 10, базовые резисторы 11 и 112, источник 13 постоянного тока, источник 14 входного напряжения. Сердечник управляемого дросселя может быть типа ОПЛ по ГОСТ 23882-79. На сердечнике ортогонально расположены управляющая и рабочая обмотки. Магнитная связь между обмотками осуществляется через керны 15, 16, 17, 18 сердечника (фиг.2).

Преобразователь работает следующим образом.

Управляющую обмотку 8 подключают к источнику 13 постоянного тока, величина I_у которого такова, что возбуждаемая этим током напряженность магнитного поля Н_у вводит сердечник в состояние глубокого насыщения:

H_у= где W_y количество витков управляющей обмотки;

l_y эффективная длина пути магнитной линии поля управляющей обмотки.

Направление H_y в кернах 15. 16 (фиг.2) противоположно направлению Н_у в кернах 17, 18. Затем подключают преобразователь к источнику 14 входного напряжения постоянного тока. При этом из-за незначительных различий в начальных условиях один из ключевых элементов 5 или 6 оказывается приоткрытым, что вызывает нарастание тока через него. На обмотках выходного трансформатора 10 наводится напряжение. Поскольку сердечник управляемого дросселя 7 находится в состоянии глубокого насыщения, индуктивное сопротивление рабочей обмотки 9 настолько мало, что ток, нарастающий через последовательно соединенные рабочую обмотку 9 и первичную обмотку 2, наводит на обмотках переключающего трансформатора 1 напряжение, дополнительно открывающее один из ключевых элементов и закрывающее другой. Активное сопротивление рабочей обмотки 9 пренебрежимо мало.

Базовые резисторы и коэффициент трансформации переключающего трансформатора 1 выбраны таким образом, чтобы ключевые элементы (5 и 6) находились в режиме насыщения. Ток последовательно соединенных рабочей обмотки 9 и обмотки 2 I_p нарастает, создавая в сердечнике управляемого дросселя 7 нарастающую напряженность магнитного поля рабочей обмотки:

H_p= где W_p количество витков рабочей обмотки;

l_p эффективная длина пути магнитной линии поля рабочей обмотки.

При полярности подключения обмоток 8 и 9, указанной на фиг.2, результирующая напряженность поля в кернах 15, 18 Н₁ уменьшается:

Н₁ Н_у Н_р, а в кернах 16, 17 результирующая напряженность поля Н₂ увеличивается:

H₂ H_y + H_p.

По достижении напряженностью H₁ некоторого граничного значения, величина которого определяется типом используемого сердечника, управляемый дроссель 7 выходит из состояния насыщения. Индуктивное сопротивление рабочей обмотки 9 резко увеличивается, поэтому падение напряжения на этой обмотке увеличивается, а напряжение на обмотке переключающего трансформатора 1 уменьшается, вызывая закрывание ранее открытого ключевого элемента. ЭДС самоиндукции выходного трансформатора 10 меняет знак на противоположный, вызывая открывание ранее закрытого ключевого элемента, блокинг-процесс протекает мгновенно (за счет резкого разрыва цепи положительной обратной связи). В результате ранее открытый ключевой элемент закрыт. Время пребывания ключевых элементов в квазистатическом состоянии определяется временем нарастания тока рабочей обмотки 9 управляемого дросселя 7 до момента резкого увеличения индуктивного сопротивления этой обмотки. Момент переключения определяется силой постоянного тока управляющей обмотки 8 управляемого дросселя 7. Изменение этого тока приводит к изменению времени квазиустойчивого состояния ключевых элементов 5 и 6, а следовательно, и частоты преобразования. Управляемый дроссель большую часть периода находится в состоянии насыщения, выходя из него только во время переключения ключевых элементов. Обмотки дросселя имеют низкое активное сопротивление, и следовательно, потери мощности в дросселе незначительные.