174449. lajstromszámú szabadalom • Elektronimus kapcsolási elrendezés impulzus kitöltési tényező szabályozáson alapuló, előnyösen nagy teljesítményű kapcsolóáramkörökhöz
3 174449 Vezessük be a 6 = ~ kitöltési tényező fogalmát, amely a t vezetési idő aránya a T teljes periódusidőhöz. A vezérlőimpulzus váltóáramú csatolással kerül a kapcsolótranzisztor bázisemitter pontjaira (1., 2. ábra). Váltóáramú csatolás alkalmazása azért szokásos, mert a kapcsolótranzisztor biztos lezárásához szükséges negatív bázís-emitter feszültség legegyszerűbben ilyen módon állítható elő. Ilyenkor a csatolóelem kimenetén a vezérlőjel egyenösszetevőjén zérus, ennek megfelelően a nulltengely alatti és fölötti területek azonosak. (1., 3. ábra) Az ábra alapján közvetlenül belátható, hogy a kitöltési tényező változása esetén az impulzusamplitúdó változik, így a tranzisztort nyitó U2 feszültség, a primer Ui feszültség és az impulzusszélesség függvénye lesz. Határesetben, ha S —* 1, úgy U2 —»0, míg ha 5 —► 0, akkor U2 — U,. Látható, hogy 5 kitöltési tényező függvényében U2 feszültség és ezzel a kapcsolótranzisztör bázisárama is széles határok között változik. A szokásos meghajtó áramköröknél a fentieken túl, még a primer U, feszültség is függvénye a kitöltési tényezőnek. Ha az impulzusszélesség (azaz 5 kitöltési tényező) változik, ezzel változik a kapcsolótranzisztor meghajtó teljesítmény igénye is és ezzel a meghajtó fokozat belső ellenállásától függően Ui • U! feszültség változásának iránya azonos az előzőekben tárgyalt — a váltóáramú csatolás miatt létrejövő - U2 feszültségváltozással, így hatásuk összegződik. Az ismertetett működési sajátosságok kövezkeztében a szokásos elrendezésű meghajtó fokozatoknál U2 feszültség és ezzel a meghajtó áram is erőteljes és nem kívánatos módon változik az ímpulzusszélességgel. A fentiek értelmében csökkentő impulzusszélességhez növekvő meghajtó 1B bázisáram tartozik, ami a kapcsolótranzisztor növekvő relatív túlvezérlését eredményezi-A növekvő relatív túl vezérlés hatására megnő a kapcsolótranzisztor t, töltéstárolási ideje, és ez bekorlátozza az elérhető minimális impulzusszélességet. Ez a hatás még fokozódik, ha a terhelést csökkentjük. Növekvő impulzusszélességhez csökkenő meghajtó áram tartozik. Ha a csökkenő meghajtó áram már nem képes a kapcsolótranzisztort telítésbe vezérelni, akkor rohamosan megnő a vezetésidő alatti disszipáció és ezzel a tranzisztor tönkremegy. A találmány szerinti áramköri elrendezés az ismert megoldások hiányosságait megszünteti azáltal, hogy egy automatikus szabályozó áramkör beiktatásával az impulzusszélesség változtatásától függetlenül biztosítja a meghajtó áram—impulzus állandó értéken tartását. A találmány szerinti megoldással a példában szereplő kapcsolótranzisztor az ideális kapcsolót megközelítően tág impulzusszélesség tartományban működhet. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy egy időben változó kitöltési tényezővel működő például kapcsolótranzisztomak az ideális kapcsolót megközelítő működési tartománya a meghajtó impulzus amplitúdójának állandó értéken tartásával (szabályozásával) jelentősen kibővíthető. Az 1-2. ábrán a hagyományos működésű kapcsolóüzemű tápegységek alaptípusainak elvi kapcsolási rajzait, a 3. ábrán a kapcsolóelem és a meghajtó csatoló áramkör elvi rajzát a 4. ábrán az impulzusamplitúdónak a kitöltési tényező függvényében való változásait, az 5. ábrán a találmány szerinti áramköri elrendezés kiviteli alakját, a 6. ábrán a találmány szerinti áramköri elrendezés egy példaképpeni kiviteli alakját mutatjuk be. Az 5. ábrán bemutatott elrendezésben az 1 kapcsolóelem vagy áramkör egyik Ube bemenetére egyenfeszültség-forrás van kötve, másik bemenetére egy 2 csatolótagon át 6 meghajtó fokozat kimenete van kötve, a 6 meghajtó fokozat egyik bemenete változó kitöltési tényezőjű vezérlőjel-bemenet a másik bemenetére egy 7 automatikus amplitúdószabályozó áramkör kimenete van kötve és a 7 automatikus amplitúdószabályozó áramkör bemenetére az impulzusszélességgel arányos villamosjel van vezetve. A 6. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezésen egy impulzusszélesség változáson alapuló kapcsolóüzemű tápegységnek a találmány szerinti kiviteli alakja látható, ahol az 1 kapcsolóelem vagy áramkör bemenetére Ube egyenfeszültség-forrás van kötve, kimenetére pedig egy 9 összetett jelátalakító fokozat van kötve, amely célszerűen egy 2 csatolótagból álló elektromágneses energiatárolóból, egy 3 egyenirányító és aluláteresztő szűrőből, egy a hibajelképző és erősítőből és 5 impulzusszélesség modulátorból van felépítve. A 9 összetett jelátalakító fokozatnak az impulzus kitöltési tényezővel arányos villamos mennyiség kimenete — amely célszerűen a 4 hibajelképző és erősítő kimenete vagy bemenete — egy 7 automatikus amplitúdószabályozó áramkör bemenetére van kötve, amely áramkör kimenete 6 meghajtó fokozat egyik bemenetére van kötve, míg a 6 meghajtó fokozat másik bemenetére a 9 összetett jelátalakító fokozat egy kimenete van kötve. A 6 meghajtó fokozat kimenete 8 csatolótagon keresztül az 1 kapcsolóelem vagy áramkör másik bemenetére van kötve. A példaképpeni rendszer az alábbiak szerint működik: Az 1 kapcsolóelem vagy áramkör az Ube feszültséget t ideig rákapcsolja a 2 csatolótagra (induktív elem). A T-t intervallumban a kapcsolóelem leválasztja az Ube feszültséget az energiatárolóról. Ekkor a tárolóelemből áram folyik a 3 egyenirányító és aluláteresztő szűrő bemenetére. A 3 egyenirányító és aluláteresztő szűrő kimenetén így létrejön az Ukj kimenőfeszültség, amelyről egyszerűen kimutatható, hogy arányos a t idővel. A kimenőfeszültséget a 4 hibajelképző és erősítő folyamatosan összehasonlítja egy Ur referenciafeszültséggel. A 4 hibajelképző és erősítő kimenetén megjelenő egyenfeszültség arányos a referenciafeszültség és a kimenőfeszültség különbségével. A szabályozáshoz szükséges negatív visszacsatolás miatt a 4 hibajelképző és erősítő a kimenőfeszültségre nézve fázisfordító erősítőként működik, így pl. növekvő kimenőfeszültségnél csökkenő kimenő jelet szolgáltat. Ez a jel vezérli az S oszcillátor és impulzusszélesség modulátort olyan módon, hogy a 4 hibajelképző és erősítő növekvő kimenő jele az 5 oszcillátor és impulzusszélesség modulátor kimenetén növekvő 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
