Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОС .ТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ по авт.СВ.№917182, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перенапряжений на транзисторе , параллельно первичной обмотке токоограничивающехчэ дросселя подключены введенные последовательно соединенные резистор, диод и стабялитроц, лричем диод включен встречно по отнснпению к полярности источника пита ,ния, a стабилитрон - согласно.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.SU„„7 A

Я59- С 05 F 1/58

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

" . ""-". ".!ч г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ :- - :;:::.;,,,!3

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 917182 (21) 3394093/24-07 (22) 17.02.82 (46) 30.05.83. Бюл. Р 20 (721 Б.Б.Самсонов, С.В.Солнцев, Е.М.Ульяницкий и В.Н.Кустов (711 Ростовский институт инженеров .железнодорожнрго транспорта (5 3 l 6 21. 31 б .,72 2. 1 (088. 8)

56 1° . Авторское свидетельство СССР

9 917182 по заявке 9. 2964784,. кл. G 05 F 1/56. 1980 г. (54) (57 ) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОС ТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИИ по авт.св.9917182, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перенапряжений на транзисторе, параллельно первичной обмотке токоограничивающего дросселя подключены введенные последовательно соединенные резистор, диод и стабилитроц, причем диод включен встречно по от ношению к полярности источника питания, а стабилитрон - согласно.

1020807

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано в транзисторных стабилизированных конверторах и вторичных источниках питания.

По основному авт.св. Р 917182, известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий вклю-. ченный последовательно в одну из силовых шин транзисторный ключ, блок управления, входом подключенный к 10 выходным выводам стабилизатора, а выходом к входу регулирующего элемента, двухобмоточный токоограничиваю" щий дроссель, первичная обмотка которого включена последовательно с транзисторным ключом, диод, включенный последовательно с вторичной обмоткой токоограничивающего дросселя и LC-фильтр, причем вторичная обмотка токоограничивающего дросселя подключена одним выводом через указанный диод к точке соединения первичной обмотки токоограничивающего дросселя и дросселя (,С-фильтра, а другим выводом к другой силовой шине стабилизатора.

Недостатком стабилизатора является появление недопустимых перенапряжений на транзисторе при использовании серийных токоограничивающих дросселей (реальных дросселей ). 30

Цель изобретения — повышение надежности стабилизатора путем опасных перенапряжений на транзисторе, появляющихся при использовании экономических серийных токоограничивающих дросселей.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном стабилизаторе постоянного напряжения параллельно первич" ной обмотке токоограничивающего дроссе-40 ля подключены введенные последовательно соединенные резистор, диод и стаби« литрон, причем диод включен встречно по отношению к полярности источника питания,а стабилитрон - согласно.

На фиг.1 изображена схема ймпульс. ного стабилизатора; на фиг.2 и 3структура стабилизатора при отключении транзистора (в паузе и временные диаграммы.

Импульсный стабилизатор содержит источник 1 питания, силовой транзисторный ключ 2, переключаемый импульсами с изменяющейся скважностью от схемы управления 3, токоограничивающий дроссель с первичной 4 и вторич- 5 ной 5 обмотками, силовой диод 6, совмещающий функции демпфирования и рекуперации сглаживающий дроссель 7, и конденсатор 8 (.С-фильтра, нагрузку 9 и цепочку последовательно включенных элементов: диода 10, стабилитрона 11, резистора 12. Причем указанная цепочка иэ элементов 10, 11 и 12 присоединена параллельно первичной обмотке токоограничивающего дросселя 4 и после отключения транзистора образует шунтирующий контур с момента появления опасного перенапряжения до момента выключения стабилитрона.

Рассмотрим работу в паузе.

После окончания процесса рассасывания избыточных носителей заряда в базовой области транзистор выходит из режима насыщения, и ток „ в его коллекторной цепи начинает резко спадать по экспоненциальному закону. В этот момент, принимаемый за начало отсчета, напряжение на обмотке 4 практически скачком возрастает до величины где L,z - индуктивность первичной обмотки 4; — постоянная времени транзистора;. постоянная времени изменения тока базы транзистора; — длительность интервала рассасывания избыточных носителей в области базы;

- максимальное значение тока в дросселе фильтра на выходе стабилизатора;

Зб — ток базы транзистора в режиме насыщения;

9" - интегральный коэффициент усиления транзистора, 1=(0) — момент, непосредственно предшествующий коммутации; а= о ) †пос коммутации. Полагаем, что О„м„„,)Ост где Цст nopqr срабатываййя стабилитрона, соответствующий допустимому уровню перенапряжения на транзисторе выбранного типономинала; инерционностью на включение полупроводниковых приборов 6, 10 и 11 можно пренебречь о сравнению с инерционностью транэис.ора на отключение и считать, что они включаются одновременно> можно пренебречь пульсациями напряжения на нагрузке, т.е. считать мгновенное значение напряжения на нагрузке (конденсаторе фильтра неизменным и равным среднему значению 0,, Тогда в момент 1 =0 образуется структура, изображенная на фиг.2.

Полупроводниковые диоды б и 10 условно изображены в виде замыкающихся кон. тактов.

Начальные условия для схемы на фиг.2 (О-)= (О+ = (0+)=3;

"1 41 1 (0-)= 0, 2

1020807

«й — — +э+ . )е

»м н ст» -Clr

1(. К-.- яl

»,»} „

55 „=3 . (1-1(4)) »2(0-) =Э; (0+}- ).1 (0) (, (O) Д L„ 4» z "q» g - токи в обмотках" 4, 5, 7 с цндуктивностями (,„ I„ (, в шунтирукщем контуре из эле»ментов 4, 11, 12 и в контуре нагрузки(элементы 5, 7, 9: )» . (, -<+4

Операторные уравнения для схемы на фиг.2 () + 1Р2 „() М,Э2(Р)= () 1«XL Ж)-Ц„

Р 1(" 2() (+ ) »»!Р» где И вЂ” суммарное активное сопротив- 15 ление шунтирующего контура элементов 4, 10, 11 и 12 при проводящем состоянии полупроводниковых приборов 10 и 11;

"" (1н(2йвзаимная индуктивность 20 намагничивания обмоток . ,4 и 5, причем верхний из знаков + или — перед И соответствует разметке зажимов (с помощью точек, отмечающих начало обмотки )на

Фиг. 2, .-) (Р)ЩФ- иэображения по Лапласу контурных токов в шунтирующей цепочке из элементов 4, 12 и цепи нагрузки из элементов 5, 7 и 9, причем ток . 1,(Р} напРавлен от начала обмотки к ее концу, а ток J (Р)- .конца обмотки 5 к ее началу.

Из приведенных операторных уравнений получаем выражение для контурных токов и напряжения на обмотке 4(U» )

4 ист ми„) (. и ве где верхний из знаков + или — соответствует включению обмоток 4 и

5 на фиг.2, г - постоянная времени схемы

С момента 0 + ток („ и напряжение изменяются по экспоненциально у Закону, à ТоК j2 представляет суперпозицию линейно и экспоненциально убывающих составляющих. Эпюры

Функций 4„, )() f и < представлены на Фиг.3. Точки 13-15 на диаграммах соответствуют значениям 1„ (О+ ), /и (О+)/ и » (О+}, где ст- )нU (0«)=- — Э+ р(„

K моменту О+ в обмотке 4 накапли» вается энергия WO>iI=4„(((О+Ц 2 =4 7 /2.

Эта энергия частично расходуется и в контуре нагрузки, что увеличивает КПД схемы. Энергия, передаваемая во вторичную обмотку 5, пропорциональна квадрату приращения тока в контуре нагрузки », обусловленного взаимной индуктивностью обмоток 4 и 5

° .»» -1, где — ток в,цепи нагрузки при от" сутствии индуктивной связи между обмотками, и„

1 =3 — Ía, 2 )»

В результате получаем

1% 1 .((4 fмр М н+И ст г, ) z (.» р- g

М н . ст -Н»

Энергия, передаваемая в обмотки

5 и 7 контура нагрузки

,= ((,) /г., В момент О+, например, (,22ç

%2(0 )-4 2 Ъ р (О+) .„ » ) .

Пусть в момент 1 = (ст — ) ток (-» уменьшается до значения минимального тока стабилизации 3 (точка 16 на циг.З). Величина t .,определяет- . ся нз соотношения

° » (ст) -)ст

В Результате получаем ст» n )»pg .„() + и»»

При этом в момент +.= (t ) (, (,»и +ми () (а } » ст н ст

Модулю этого значения соответст вует точка 17 на фиг.З. Точка 18 на временных диаграммах соответствует

2 (ст} »(„-I= „, ((<+>J> мэ,-u t,)

Считаем, что в момент 1 =1 с стабилитрон скачкообразно отключается.

Тогда

1020807

10 12 Ц„

lu (tll м 2 = м где 1(1} — единичная (ступенчатая )

Функция хевисайда:

О, tet ст

1>С

Уравнение для контура нагрузки принимает вид

at

4 at ++163., (Ч+vн=0, где «() — Функция Дирака.

После интегрирования эТого уравнения получаем щ u„

®, (+ g — HIt t, t 15 где с +.„, — длительность паузы (части периода, когда транзистор от- 20 ключен).

Таким образом, в момент т=(Ф .„« >(.,Ф (-) -» l = ((Р 1

СГ р5 н ст) Верхний знак соответствует точке

19 на временной диаграмме. С момента

1=tc i, т.е. начиная с точки 20 на фиг.3, напряжение на обмотке 4 устанавливается постоянным, причем

Естественно, это напряжение не может быть опасным для отключенного транзистора, так как в стабилизаторах -.ок в дросселе фильтра i отличается от среднего тока в нагрузке только на величину пульсаций и скорость его измерения очень мала.

В момент1=Ф остаток энергии, связанной с обмоткой 4, скачком передается в цепь нагрузки, т.е. рекуперируется, что повышает КПД схемы. Это основной положительный эффект, достигаемый включением стабилитрона 11.

Кроме того происходит форсировка отключения шунтирующей цепочки. Пунктиром на фиг.3 показан переходной пропроцесс в шунтирующей цепочке без стабилитрона.

После окончания паузы в момент диод 10, включенный встречно по отношению к полярности источника

1, отключает шунтирующую цепочку,до конца периода. В промежуток1 (1, T где Т- период, шунтирующая цепочка не оказывает влияния на работу стабилизатора. Временные диаграммы, соответствующие этому промежутоку, не . приводятся так как не имеют отношения к сущности изобретения.

Предлагаемая схема характеризуется повыиенной надежностью и экономичностью, достигаемой устранением опасных перенапряжений, и, следовательно, динамических потерь при использовании технологических и дешевых серийно выпускаемых токоограничивающих.дросселей

1020807

fggf

Фиг. 3

Составитель С.Горбачева

Редактор О.Сопко Техред В.Далекорей КорректорЛ.Бокшаи

Заказ 3895/40 Тираж 874 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.ужгород, ул.Проектная,4