стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное

Формула изобретения

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, содержащий трансформатор с первой и второй обмотками, первая обмотка которого включена последовательно с генерирующим транзистором между первым и вторым выводами для подключения источника питания, источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор, ограничительный элемент, дополнительный диод, первый конденсатор и резистор, причем источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор и ограничительный элемент включены последовательно между первым и вторым выводами для подключения источника питания, один вывод дополнительного диода через ограничительный элемент соединен с истоком, а другой вывод - с затвором полевого транзистора, первый вывод резистора соединен с одним выводом конденсатора, а второй вывод резистора - с первым выводом для подключения источника питания или с другим выводом конденсатора, дополнительный диод, вторая обмотка и конденсатор образуют последовательный замкнутый контур, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, в качестве источника опорного напряжения применены параллельно соединенные второй конденсатор и транзистор, управляющий вывод которого через цепь отрицательной обратной связи соединен с одной из обмоток трансформатора, причем управляющий вывод генерирующего транзистора соединен со стоком полевого транзистора, а через диод и источник опорного напряжения - с первым выводом для подключения источника питания.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ограничительный элемент выполнен в виде параллельно соединенных резистора и диода.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости, введен третий конденсатор, включенный между стоком полевого транзистора и ограничительным элементом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано в приборах ночного видения для питания электронно-оптических преобразователей.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с первой и второй обмотками, первая обмотка которого включена последовательно с генерирующим транзистором между первым и вторым выводами для подключения источника питания, стабилитрон, диод, первый и второй резисторы, причем база генерирующего транзистора соединена через последовательно соединенные стабилитрон и диод с первым выводом для подключения источника питания, через первый резистор - с коллектором, а через последовательно соединенные второй резистор и вторую обмотку - с эмиттером генерирующего транзистора [1].

Недостатками данного преобразователя являются низкие КПД, коэффициент стабилизации и плохая нагрузочная характеристика.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с первой и второй обмотками, первая обмотка которого включена последовательно с генерирующим транзистором между первым и вторым выводами для подключения источника питания, источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор, первый и второй дополнительные диоды, конденсатор и резистор, причем источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор и первый дополнительный диод включены последовательно между первым и вторым выводами для подключения источника питания, два одноименных вывода первого и второго дополнительных диодов объединены, а два их противоположных одноименных вывода соединены соответственно с источником и затвором полевого транзистора, первый вывод резистора соединен с одним выводом конденсатора, а второй вывод резистора - с первым выводом для подключения источника питания или с другим выводом конденсатора, второй дополнительный диод, вторая обмотка и конденсатор образуют последовательный замкнутый контур [2].

Недостатком данного преобразователя является низкая стабильность.

Целью изобретения является повышение стабильности.

Это достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор с первой и второй обмотками, первая обмотка которого включена последовательно с генерирующим транзистором между первым и вторым выводами для подключения источника питания, источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор, ограничительный элемент, дополнительный диод, конденсатор и резистор, причем источник опорного напряжения, диод, полевой транзистор и ограничительный элемент включены последовательно между первым и вторым выводами для подключения источника питания, один вывод дополнительного диода через ограничительный элемент соединен с истоком, а другой вывод - с затвором полевого транзистора, первый вывод резистора соединен с одним выводом конденсатора, а второй вывод резистора - с первым выводом для подключения источника питания или с другим выводом конденсатора, дополнительный диод, вторая обмотка и конденсатор образуют последовательный замкнутый контур, в качестве источника опорного напряжения применены параллельно соединенные второй конденсатор и третий транзистор, управляющий вывод которого через цепь отрицательной обратной связи соединен с одной из обмоток трансформатора, причем управляющий электрод генерирующего транзистора соединен со стоком полевого транзистора, а через диод и источник опорного напряжения - с первым выводом для подключения источника питания.

Кроме того, в качестве ограничительного элемента применены параллельно соединенные второй резистор и третий диод.

Кроме того, введен третий конденсатор, включенный между стоком полевого транзистора и ограничительным элементом.

На фиг.1 и 2 представлены возможные электрические принципиальные схемы предложенного устройства.

Оно содержит трансформатор с первой обмоткой 1 и второй обмоткой 2, первая обмотка которого включена последовательно с генерирующим транзистором 3 между первым и вторым выводами 4, 5 для подключения источника питания, источник опорного напряжения 6, диод 7, полевой транзистор 8, ограничительный элемент 9 и дополнительный диод 10, первый конденсатор 11 и резистор 12. Причем источник опорного напряжения 6, диод 7, полевой транзистор 8, ограничительный элемент 9 и вторая обмотка 2 включены последовательно между первым и вторым выводами 4, 5 для подключения источника питания, два одноименных вывода ограничительного элемента 9 и дополнительного диода 10 объединены, а два их противоположных одноименных вывода соединены соответственно с истоком и затвором полевого транзистора 8, первый вывод резистора 12 соединен с одним выводом первого конденсатора 11, а второй вывод резистора 12 - с первым выводом 4 для подключения источника питания (см. фиг. 2) или с другим выводом конденсатора 11 (см. фиг.1). Дополнительный диод 10, вторая обмотка 2 и первый конденсатор 11 образуют последовательный замкнутый контур.

В преобразователе второй конденсатор 13 включен между стоком полевого транзистора 8 и ограничительным элементом 9, управляющий электрод генерирующего транзистора 3 соединен со стоком полевого транзистора 8, а через диод 7 и источник опорного напряжения 6 - с первым выводом 4 для подключения источника питания, резистор 14 включен параллельно ограничительному элементу 9, а источник опорного напряжения 6 представляет собой параллельно соединенные транзистор 15 и третий конденсатор 16, причем управляющий электрод транзистора 15 через цепь отрицательной обратной связи соединен с одной из обмоток 1, 2 трансформатора.

На фиг.1 в качестве цепи отрицательной обратной связи показан переменный резистор 17, включенный параллельно первой обмотке 1, а средним выводом соединенный с управляющим электродом транзистора 15.

На фиг.2 в качестве цепи отрицательной обратной связи показаны резистор 18, транзистор 19 и стабилитрон 20. При этом транзистор 15 управляющим электродом через резистор 18 соединен с первым выводом 4 для подключения источника питания и непосредственно - с коллектором транзистора 19, который соединен базой с вторым выводом 5 для подключения источника питания, а эмиттером через стабилитрон 20 - с обмоткой 2.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на выводы 4 и 5 питающего напряжения генерирующий транзистор 3 открывается, так как потенциал его управляющего электрода, т.е. стока полевого транзистора 8, будет близок потенциалу вывода 5, поскольку полевой транзистор 8 открыт, а транзистор 15 закрыт. При этом в схеме преобразователя обеспечивается лавинное открывание генерирующего транзистора 3, так как увеличение напряжения на первой обмотке 1 трансформатора приводит к увеличению напряжения на второй обмотке 2 и заряду первого конденсатора 11 через дополнительный диод 10, возникающее напряжение на котором способствует еще большему открыванию полевого транзистора 8 и, следовательно, генерирующего транзистора 3. Такая положительная обратная связь - необходимое условие существования автогенерации в преобразователе напряжения.

Между полевым транзистором 8 и вторым выводом 5 для подключения источника питания в других схемных решениях может быть включена какая-либо дополнительная обмотка трансформатора, а вторая обмотка 2 может быть включена аналогично прототипу. Возрастание напряжения на первой обмотке 1 (см. фиг.1) или на второй обмотке 2 (см. фиг.2) происходит до некоторой максимальной величины, при которой открывается транзистор 15, шунтируя с диодом 7 последовательно включенные первую обмотку 1 и участок затвор-исток генерирующего транзистора 3. Тем самым дальнейшее увеличение напряжения на первой обмотке 1 невозможно. Величина этого напряжения на фиг.1 определяется положением среднего выхода переменного резистора 17, когда на управляющем p-n-переходе третьего транзистора 15 возникает отпирающее напряжение. Величина максимального напряжения на первой обмотке 1 (см. фиг.2) определяется равенством напряжения на второй обмотке 2 сумме напряжений на стабилитроне 20 и на управляющем p-n-переходе открытого транзистора 19. При этом на фиг.2 открыт также транзистор 15. Резистор 18 устанавливает необходимую величину тока через стабилитрон 20.

Для возникновения автогенерации переменного напряжения необходимо, чтобы количество витков второй обмотки превышало количество витков первой обмотки 1 и, следовательно, напряжение на второй обмотке 2 будет больше напряжения на первой обмотке 1. При достижении на обмотках трансформатора максимальных величин напряжения первый конденсатор 11 заряжается через дополнительный диод 10 до величины напряжения, близкой к напряжению на второй обмотке 2. Напряжение на дополнительном диоде 10 при этом уменьшается, что способствует закрыванию полевого транзистора 8, а так как при этом открывается транзистор 15, то потенциал управляющего электрода генерирующего транзистора 3 изменяется, сближаясь с потенциалом вывода 4, что приводит к закрыванию генерирующего транзистора 3. При максимальных величинах напряжений на обмотках трансформатора, являющихся амплитудами положительной полуволны переменного напряжения, происходит заряд второго конденсатора 13 и третьего конденсатора 16.

На обмотках трансформатора после положительной полуволны напряжения развивается отрицательная полуволна и далее во времени происходит колебательный процесс формирования затухающего переменного напряжения, поскольку трансформатор с индуктивностью обмотки и емкостью намотки обмоток представляет собой колебательную систему и может быть представлен в виде эквивалентного контура с определенным затуханием. Частота формируемого переменного напряжения является резонансной частотой такого контура, т.е. определяется параметрами трансформатора.

Существуют специальные трансформаторы, резонансная частота которых оговаривается в технических условиях (см., например, ОЮО.471.043 ТУ).

Уменьшение напряжения на первой обмотке 1 (см. фиг.1) и на второй обмотке 2 (см. фиг.2) приводит к закрыванию транзистора 15, в результате чего напряжение на третьем конденсаторе 16 будет мало меняться во времени. Уменьшение напряжения на второй обмотке 2 также приводит к закрыванию обратным напряжением дополнительного диода 10, а следовательно, к более быстрому, т. е. лавинному, закрыванию полевого транзистора 8 и генерирующего транзистора 3, после чего напряжение на втором конденсаторе 13 будет мало меняться во времени.

В данном преобразователе процесс формирования затухающего напряжения будет происходить лишь до определенного момента при новой положительной полуволне, до которого в преобразователе закрыты все транзисторы, а напряжения на конденсаторах 13, 16 мало изменяются в силу разряда малыми токами: второго конденсатора 13 - током утечки управляющего электрода генерирующего транзистора 3, запертого по цепи выводы 4, 5 для подключения источника, вторая обмотка 2, второй конденсатор 13, участок затвор-исток генерирующего транзистора 3, первая обмотка 1 током утечки, запертого обратным напряжением (по цепи выводов 4, 5 для подключения источника питания, вторая обмотка 2 второй конденсатор 13, диод 7, третий конденсатор 16) диода 7, током отсечки полевого транзистора 8; третьего конденсатора 16 - обратным током коллектора закрытого третьего транзистора 15.

Для того, чтобы в преобразователе осуществить генерацию незатухающего переменного напряжения, т.е. синусоидального напряжения резонансной частоты, необходимо при новой положительной полуволне переменного напряжения (амплитуда которой меньше амплитуды первой положительной полуволны в силу затухания переменного напряжения) вновь осуществить открывание генерирующего транзистора 3 с тем, чтобы осуществился описанный процесс формирования амплитуды положительной полуволны напряжения заданной величины.

На какую величину напряжения по отношению к амплитуде первой положительной полуволны будет меньше амплитуда новой положительной полуволны напряжения на второй обмотке 2, на такую же величину напряжения при новой положительной полуволне изменится напряжение на дополнительном диоде 10 в сторону его запирания в случае отсутствия в схеме преобразователя резистора 12. При этом (при достижении величиной переменного напряжения на второй обмотке 2 амплитуды новой положительной полуволны) напряжение на дополнительном диоде 10 может оказаться больше напряжения отсечки полевого транзистора 8 и, следовательно, не откроется полевой транзистор 8 и не осуществится описанный процесс формирования амплитуды переменного напряжения. Включение в схему преобразователя резистора 12 для первого конденсатора 11 позволяет осуществить срабатывание преобразователя, т. е. открывание генерирующего транзистора 3 при каждой положительной полуволне переменного напряжения.

Таким образом, данный преобразователь представляет собой однотактный автогенератор стабилизированного синусоидального напряжения, причем импульсный ток протекает через первую обмотку 1 и генерирующий транзистор 3 только во время положительных полуволн переменного напряжения, которое может быть подано на нагрузку с одной из обмоток трансформатора. Причем скважность импульсного тока увеличивается с уменьшением мощности в нагрузке и при холостом ходе может достигать, например, 10. С одной из обмоток трансформатора, обычно высоковольтной, переменное синусоидальное напряжение может быть подано на вход высоковольтного умножителя напряжения, с выхода которого высоковольтное постоянное напряжение может быть использовано для питания электронно-оптического преобразователя в приборах ночного видения.

Включение в схему преобразователя второго конденсатора 13 позволяет надежно запереть генерирующий транзистор 3 импульсами тока в первой обмотке 1, поскольку в этот временной промежуток участок затвор-исток генерирующего транзистора 3 запирается по указанной цепи. Это увеличивает КПД преобразователя, так как снижает уровень возможных в нем потерь мощности, а также повышает надежность его в работе, так как устраняет возможный срыв генерации. Приведенное описание работы преобразователя справедливо при использовании в качестве генерирующего транзистора 3 биполярного транзистора, как и полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В последнем случае, так как такой транзистор управляется напряжением, в качестве полевого транзистора 8 можно использовать транзистор с минимальным начальным током стока (полевой транзистор 8 в открытом состоянии имеет ток стока, близкий к начальному, поскольку напряжение участка затвор-исток этого транзистора, равное разности напряжений на ограничительном элементе 9 и втором 10 дополнительном диоде, близко к нулю), что также повышает КПД преобразователя, так как уменьшаются потери мощности в преобразователе на управление генерирующим транзистором 3. Использование же в качестве генерирующего биполярного транзистора приводит к необходимости использования полевого транзистора 8 с достаточно большим начальным током стока, поскольку при увеличении мощности в нагрузке растет величина импульсов тока через первую обмотку 1 и генерирующий транзистор 3, что приводит к увеличению тока управляющего электрода, т.е. базы генерирующего транзистора 3, который не может превышать ток стока полевого транзистора 8.

Таким образом, такой преобразователь не может обеспечить большой мощности в нагрузке, а так как коэффициент передачи тока биполярного транзистора уменьшается при воздействии пониженной температуры окружающей среды и при воздействии спецфакторов, то тем значительнее описанный отрицательный эффект от применения в качестве генерирующего транзистора 3 биполярного транзистора. На практике целесообразно применение в качестве генерирующего транзистора составного транзистора из двух биполярных транзисторов.

Включение в схему преобразователя резистора 14 позволяет снизить величину максимально возможного напряжения источника питания на величину напряжения на открытом ограничительном элементе, что составляет около 0,7 В. При отсутствии в схеме резистора 14 генерирующий транзистор 3 откроется лишь в случае, когда источник питания в состоянии обеспечить напряжением последовательное соединение участка исток-затвор открытого генерирующего транзистора 3 и открытый ограничительный элемент 9. Включение резистора 14 параллельно ограничительному элементу или вместо него снижает сопротивление ограничительного элемента 9 и в результате генерирующий транзистор 3 откроется при напряжении источника, равном напряжению участка исток-затвор открытого генерирующего транзистора 3. При использовании в качестве генерирующего транзистора 3 составного транзистора из двух биполярных p-n-n-транзисторов минимально возможное напряжение источника питания составит в данном преобразователе 1,4 В - напряжение на двух последовательно соединенных открытых база-эмиттерных переходах.

На практике достижение минимально возможного напряжения источника питания в приборах ночного видения позволяет улучшить их весогабаритные характеристики и использовать такие первичные источники питания как аккумулятор Д-О, 55С ГОСТ 11258-79 с номинальным напряжением 1,2 В (для схемы преобразователя с биполярным транзистором в качестве генерирующего транзистора 3), аккумуляторные батареи из двух аккумуляторов Д-0, 55С или 2НКБИ-1,5 ГТО.358.061 ТУ с номинальным напряжением 2,5 В (для схемы преобразователя с составным транзистором на двух биполярных транзисторах в качестве генерирующего транзистора 3). При использовании в качестве генерирующего полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом выбор первичного источника питания будет определяться напряжением участка исток-затвор открытого генерирующего транзистора 3.

Таким образом, введение в схему преобразователя резистора 14 позволяет применить первичные источники питания с минимальными существующими напряжениями питания. Поскольку введение резистора 14 снижает сопротивление неоткрытого ограничительного элемента 9, то при подаче на выводы 4, 5 напряжения источника питания обеспечивается надежное открывание полевого транзистора 8, т.е. запуск преобразователя (см. фиг.1).

Включение в схему преобразователя в качестве источника опорного напряжения 6 транзистора 15, конденсатора 16, а также связи базы транзистора 15 через цепь отрицательной обратной связи с одной из обмоток трансформатора позволяет осуществить в преобразователе генерирование высокостабильного (по амплитуде) переменного напряжения, мало меняющегося при изменении как питающего напряжения на выводах 4, 5, так и мощности в нагрузке.

Генерирующий транзистор 3 при прохождении через него и первую обмотку 1 импульса тока работает как эмиттерный повторитель суммы напряжений на источнике опорного напряжения 6 (т.е. на параллельно включенных третьем транзисторе 15 и третьем конденсаторе 16) и диоде 7 на первую обмотку 1. Высокая стабильность переменного напряжения в данном преобразователе по сравнению с прототипом объясняется тем, что напряжение, полученное на третьем конденсаторе 16 источника опорного напряжения 6 при изменении питающего напряжения на выводах 4, 5 или при изменении мощности в нагрузке, не является постоянной величиной, как в прототипе, а изменяется с тем, чтобы компенсировать возникающее при этом изменение напряжения на участке исток-затвор генерирующего транзистора 3. При этом стабильность напряжения на первой обмотке 1, а значит и других обмотках трансформатора, увеличивается. Так, при увеличении мощности в нагрузке, поскольку увеличивается импульсный ток через первую обмотку 1 и генерирующий транзистор 3, увеличивается на определенную величину и напряжение на участке исток-затвор генерирующего транзистора 3. При этом, если напряжение, генерируемое источником опорного напряжения 6, неизменно, то на такую же величину уменьшится амплитуда переменного напряжения на первой обмотке 1, но в данном преобразователе напряжение на конденсаторе 16 увеличится на величину, близкую к этой, поскольку источник опорного напряжения как бы подстраивается по цепи обратной связи с одной из обмоток трансформатора таким образом, чтобы генерируемое преобразователем напряжение изменялось по амплитуде незначительно, что контролируется схемой сравнения посредством сравнивания амплитудного значения напряжения какой-либо из обмоток трансформатора или части этого напряжения с каким-либо опорным напряжением.

На фиг.1 сравнивается часть амплитудного значения напряжения первой обмотки 1 с напряжением база-эмиттерного перехода открытого транзистора 15.

На фиг.2 сравнивается амплитудное значение напряжения на второй обмотке 2 с напряжением стабилитрона 20.

В данном преобразователе возможны различные схемные решения цепи отрицательной обратной связи, которая может осуществляться с любой обмоткой трансформатора. Эти схемные решения не ограничиваются приведенными на фиг.1, 2. Применение в источнике опорного напряжения 6 третьего конденсатора 16 необходимо, поскольку при нарастании импульса тока через первую обмотку 1 и генерирующий транзистор 3 третий транзистор 15 открывается по цепи отрицательной обратной связи с одной из обмоток трансформатора с некоторым запаздыванием во времени, что привело бы (без третьего конденсатора 16) к резкому возрастанию величины импульса тока и неустойчивой работе преобразователя, но напряжение на третьем конденсаторе 16 сохраняется со времени предыдущего импульса тока (так как отсутствует цепь разряда, т.е. третий транзистор 15 закрыт между импульсами тока), благодаря чему формирование импульса тока происходит при мгновенном наличии необходимой информации.

Предложенная схема преобразователя проста, надежна и может быть реализована на основе безкорпусной элементной базы с малыми массогабаритными характеристиками. Величины емкостей конденсаторов 11, 13 могут варьироваться в широких пределах при минимальной величине около сотни пикофарад.

Минимальное количество обмоток трансформатора, способных обеспечить нормальную работу преобразователя, равно двум, но трансформатор может иметь и другие обмотки.

В преобразователе может быть реализована генерация переменного напряжения с подстраиваемой амплитудой (см. фиг.1).

В предложенной схеме преобразователя напряжения возможны включения различных дополнительных электрорадиоэлементов, не изменяющих существа работы преобразователя, но служащих для улучшения режимов работы входящих в преобразователь транзисторов, особенно во время переходных процессов или в случае каких-либо критических перегрузок. Такими электрорадиоэлементами могут являться, например, дроссель, резистор, включенные последовательно с первой обмоткой 1 и генерирующим транзистором 3 между выводами 4, 5; резистор, включенный последовательно с третьим транзистором 15; резистор, включенный последовательно со вторым конденсатором 13; резистор в цепи затвора полевого транзистора 8; резисторы в базовых цепях биполярных транзисторов, служащих в качестве составного генерирующего транзистора 3.

Генерирующий транзистор 3, обеспечивая стабилизацию амплитуды переменного напряжения на первой обмотке 1 при изменении питающего напряжения на выходах 4, 5 (находясь при этом в активном режиме вплоть до режима насыщения), является также регулирующим транзистором. Величина минимально возможного напряжения источника питания в преобразователе определяет максимальную величину амплитуды переменного напряжения.

При работе двух и более подобных преобразователей с различными частотами генерируемых переменных напряжений от одного источника питания, взаимные влияния преобразователей минимальны и не требуют сложных развязывающих цепей.

Схема преобразователя напряжения, собранная на транзисторах соответственно противоположных типов, также работоспособна.