Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

 

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЙОСТОЯННОГО НА ПРЯЖЕНИЯ, содержащий регулируемыйнввертор с выходвым траисфо штором, вторичвая,обмотка которого через выпря митепь и сгпаживаюший ф спьтр подкшспева к выходвым зажимам, бпок управпевия , у которого управляющие выходы соединены с управляющими входами р&- гупируемого инвертора, попожнтепьвый вывод питаввя - с одвоимеввым вх6ав11Ы зажимом, а выводы обратной связи - с выходвымя зажимами, отличающийся тем, что, с цепью повышения КПД при работе на импульсную нагрузку , в преобразователь введен бпок ре1ЮЙВОГО режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, а выходные выводы - с отрицательным выводом блока у11|швления и другим входным зажимом. 2.. Преобразователь по п. 1, отличаю щ в и с я тем, что блок репейного режима выполнен на элементе гальванической развязки, элементе и порогчжом элементе, выходные выводы которотчэ соединены с входными выводами элемевта гальванической развязки, выходные выводы которого соединены с управляющими выводами ключевогю элемента. 3. Преобразователь по п. 2, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что ключевой впемент выполнен ввиде трегвзистора, емиттер которого подключен к отрипатедьюму входному зажиму и одному из выходных выводов элемента гальванической развязки, база - к другому вы ходному вывзду эпемента гальванической jO D1 развязки, а коллектор - к отрицательному выводу питания блока управления. 1 :л 4. Преобразователь щ п. 2, о т п и:о чающийся тем, что элемент гальвагаческой . развязки выполнен в виде oi тоепектровшйх ) ключа, а 1юроговый ©лемевт - вJвидe хтгабилитрова.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) AD Н 02 М 3/335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР .

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3409742/24-07 (22) 23.03.82 (46) 15.08.83. Вюл. Nt 30 (72) В. Ф. Худяков, А. П. Пакндов н В.А.Хабуэов (71) Ленннградский институт авиационного приборостроения (53) 621.314. 57 (088.8) (56) 1. Авторское свндетельство СССР

Ж 497691, кл. Н 02 М 3/04, 1974..

- 2. Грибачев А,П. и др. Микроэпектрзника - средство оптнмнзацнн снстем электропитания радиоэлектронной аппа ратуры. - В кн.: Электронная техника в автоматике, вып. 10, М., Советское радио, 1978, с. 24, рис. 2.

3. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. М., Энергия, 1975, с. 125, рис. 3.19. (54) (57) 1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ ПОСТОЯННОГО НА»

ПРЯЖЕНИЯ, содержавший регулируемый " инвертор с выходным трансформатором, вторичная, обмотка которого через выпрамитель и сглаживающий фильтр подклкиена к выходным зажимам, блок управления, у которого управлякхпне выходы соединены с уиравляюшими входами регулнруемого инвертора, положительный вывод питайия - с одноименнйм входнж4- зажимом, а выводы обратной связи - с выходными эажнмами, о т л и ч а ющ н и с я тем, что, с цепью повышения

КПД прн работе на импульсную нагрузку, в преобразователь введен блок релейного режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, а выходные выводы - с отрицательным выводом блока управления и другим входным зажимом.

2.. Преобразователь по и. 1, о т л ич а ю m и и с tt тем, что блок релейного режима выполнен на элементе гальванической развязки, ключевом элементе и пороговом элементе, выходные выводы . которого соединены с входными выводамй элемента гальванической развязки, выходные выводы которого соединены с управляюл1нми выводами ключевого элемента.

3. Преобразователь по п. 2, о т л ич а ю шийся тем, что ключевой элемент выполнен в--внде транзистора, эмиттер которого подключен к отрипателыюму входному зажиму и одному из выходных выводов элемента гальванической развязки, база - к другому вы, ходному выводу элемента гальванической развязки, а коллектор — K отрицательному выводу латания блока управления.

4. Преобразователь пе п. 2, о т л ич & ю m н и с я темэ что элемент, галь " ваннческой. развязкн выполнен В внде оп тоэлектронжйо ключа, а пороговый эле» мент - в виде стабилитрона.

3 2 форматором, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сгпаживающий фильтр подкпючена к выходным зажимам, блок управления, у которого управпяющие выходы соединены с управпяющими входами регупируемого инвертора, попожитепьный вывод питания - с одноименным входным зажимом, а выводы обратной связи - с выходными зажимами P3).

Недостатком атого устройства является отсутствие обеспечения стабилизации напряжения в режиме холостого хода и при нагрузке импульсного типа с относи= тельно бопьшой скважностью импульсов, дпитепьность паузы между которыми со измерима со временем заряда (разряда) сглаживающего фильтра. При этом. в пау- ° зах возникает режим, бпиэкий к хопостому ходу, Это объясняется тем, что. при относительно мапых,ипи нулевых токах нагрузки сгпаживающий фипьтр эа время импупьса, поступающего с выпрямителя, накапливает энергию, превышающую по величине анергию, потребляемую нагрузкой за время паузы..В результате выходное напряжение становится равным амппитуде выпрямленных импульсов, а преобразоватепь перестает быть стабипиэиро ванным. Необходимое снижение выходного напряжения за счет уменьшения угла модуляции до вепичины, близкой к нупевой, при высокой частоте преобразования (свыше 10 кГц) практически недостижимо иэ- за ограниченных воэможностей по дйй пазону регулирования угла модуляции бпока управпения, а также из-эа напичия угпов коммутации транзисторов регупиру емого инвертора. Эти факторы связаны с инерционностью транзисторного ключа при выходе иэ насыщения, причем дпитепь ность процесса существенно возрастает с уменьшением тока нагрузки, т.е. колпекторного тока, и обусловливают на» пичие предела в получении минимальных углов модуляции. Поатому нарушается стабилизация выходного напряжения преобразователя при импульсном характере нагрузки ипи в режиме хопостого хода.

Укаэанный недостаток обычно устраняет» ся за счет подключения к выходным зажимам балпастного. сопротивпения, что ведет к снижению КПД преобразоватепя, нес правда иному, завышению его мощности и возрастанию массы и габаритов теплоотводящей конструкции.

1 103878

Изобретение относится к преобразователям, выпопненным на попупроводниковых, приборах с управляющим апектродом, и может быть нспоньзсвано во вторичных источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен стабипизированный преобразователь постоянного напряжения, содер жащий стабилизатор напряжения, к выходу которого подключены поспедоватепьно t0 соединенные нерегупируемый инвертор с выходным трансформатором, выпрямитель и сгпаживающий фипьтр, а к управпяющему входу нерегупируемого инвертора подсоединен блок управпения. За счет нерегулируемого инвертора практически искпючено накоппение конденсатором сгпаживающего фипьтра напряжения, превышающего по величине номинальное, что поэвопяет испопьзовать данное устройство р0 при нагрузке импупьсного типа (со сбро-, сом тока нагрузки до нупя) и в режиме хопостого хода без нарушения стабипизации выходного напряжения L 1).

Однако раэдепение функций стабипиза- 25 ции напряжения за счет стабипизатора и преобразования этого напряжения до тре- буемого уровня с помощью нерегупируемого инвертора существенно снижает

КПД всего устройства в цепом.

Известен также стабилизированный преобраэоватепь напряжения, содержащий нерегупируемый KBseprop с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитепь и сглаживаю35 щий фильтр подключена ко входу линейного стабилизатора. Блок. управпения соединен с управляющим входом нерегупиру емого инвертора. Использование нерегулируемогоо инвертора и линейного стабипи- 4 затора позволяет применять данное устройство как при нагрузке импульсного типа, так и в режиме хопостого хода (2j

Недостаток устройства - низкий КПДсвязан с необходимостью обеспечения на первом этапе требуемого уровня напряжения за счет преобразоватепя, а на втором — стабипиэации этого напряжения.

При атом полный ток нагрузки протекает по регупирующему элементу (транзистору)

50. пинейного стабилизатора, на ходящемуся в активном режиме, что приводит g значи тепьным потерям мощности и обусловливает низкий КПД стабилизированного преобразователя.

Наибопее бпизким к изобретению является преобразователь, содержащий регулируемый инвертор с выходным тражЦель изобретения - повышение КГЩ преобраэоватепя при работе на импупьс ную нагрузкуе

1035753 4

Поставпенная цель достигается тем, что в стабилизированный преобразоватепь постоянного напряжения, содержащий регулируемый ннвертор с выходным транс форматором, вторичная обмотка которого 5 через выпрямитепь и сгпаживаюший фильтр подкпючена к выходным зажимам, бпок управпения, у которого управляющие выходъ соединены с управляющими входами, регупируемого инвертора, положительный . 1О вывод питания - с одноименным входным; эажнмом, а выводы обратной связи - с вц ходными зажимами, введен бпок репейного режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, а выходные выводы с отрипатепьным BbIBo дом питания блока управления и другим входным зажимом.

При этом блок релейного режима выполнен .на элементе га ьванической 20 развязки, кпючевом эпементе и пороговом эпементе, выходные выводы которого .соедннены с вхрднъ1ми выводами элемента гапьванической развязки, выходные выводы которого соединены с управпяюшнми выводамн ключевого эпемента.

Элемент гальванической развязки может быть выпопнен в виде оптоэлектронного.кпюча,-а пороговый эпемент - в виде стабнпитрона. 30

Ключевой элемент выпопнвн в вице транзистора, эмиттер которого подключен к отрицатепьному входному зажиму и од.ному из выходных выводов элемента гальванической развязки, база - к другому 35 выходному выводу элемента гальваничеокой развязки, а коплектор - к отрицательюму выводу питания блока управпенняе

На фиг. 1 и 2 представпены пришпптн-gg альные схемы предлагаемого стабипизированного, преобразоиатепя постоянного напряжения и блока управления; нв фиг. 3 временаае днаграммы токов н напряжений предпагаемого устройства. 45

На временных диаграммах (фиг. 3) обозначены: ц ) напрйження на выходах выпрямитепя U и фильтра 0 при номинальной нагрузке; 50 о ) напряжения на выходах выпрямнтв пя 0< и фипьтра 0 в режиме холостого хода;

4 ) нмпульсный ток нагруэкн Iq, ) напряжение на выходе фильтра (/ в режиме холостого хода прн напнчки блока релейного режима; Д) ток ключевого элемента lg I ф ) напряжение на управляющих выходах блока управления Ug

Преобразователь построен но схеме с

ШИМ напряжения в цепи переменного тока.

Устройство (фиг. 1) содержит регупи руемый инвертор 1 на транзисторах 2 и

3 с выходным трансформатором 4, вторичная обмотка которого подкпючена через выпрямитепь 5, выполненный по пучевой ипн мостовой схемам, и сглаживающий фипьтр 6, состоящий из дроссепя и конденсатора, к выходным зажимам 7 н 8, бпок 9 управпения, управпяющие выходы.l0,1 1 и 12 которого соединены с управпяюшими входами регулируемого инвертора 1, выводы 13 и 14 обратюй связи - с выходными зажимами 7 и 8, а попожительный вывод 15 питания - с одноименным входным зажимом 16. Позицией 17 обозначен отрицательный входной зажим. Блом 18 репейюго режима состоит из порогового эпемента 19, выполненного на стабилитроне 20 с токоограничиваюшим резистором 21 и подключенного выходными выводами к входным выводам эпемента 22 гапьваннческой развязки, выпопненного в виде опт электронного кпюча и подкшоченного выводными выводами к управпяющим выво-. дам ключевого элемента 23, выполненного на транзисторе 24 с резистором 25, при этом входные выводы бпока 18 репейного режима подсоединены к выходным зажимам 7 и 8, а выходные «к отрицательному выводу 26 питания бпока

9 управления и другому входному зажиму

l7. К выходным зажимам 7 и 8 преобразователя подкпючена нагрузка. В соотав бпока 9 управпения, выпопненного, например, в соответствии с фиг.2 ипи по другим известным схемным решениям, входят задающий генератор 27 с трансформатором 28, собранный по схеме

Ройера на транзисторах, ведомый генератор 29 с трансформатором 30, обмотки обратной связи которого соединены поспедовательио и согпасно с синхронизирую

:тими обмотками трансформатора 28 задающего генератора и первичными обмотками трансформатора 31 обратной связи.

Выходные обмотки трансформатора 28 н

30 соединены попарно поспедоватепьно и согласю н подключены через токоограи чиваюшие базовые цепи 32 и 33 и одновременно средними точкамн через запирающие диоды 34 и 35 к управпяюшим.. входам регупнруемого инвертора 1. Ко

1035753 вторичной обмотке трансформатора 31 обратной связи подкпючен регулирующий элемент 36, состоящий из встречно вкпю-! ченных транзисторов, управляющие лереходы которых включены в диагональ измеритепьного моста 37, . имеющего в одном плече опорный элемент - стабипи1 трон, а в других « «резисторы и подключенного к выходным зажимам 7 и 8 через выводы 1, и 14 ° 10

Устройство работает спедующим образом, Постоянное входное напряжение, подаваемое на входные зажимы 16 и 17, преобразуется регупируемым инвертором 15

1 (фиг. 1) за счет поочередного вкшочения и выкпючения транзисторов 2 и 3 в двупопярные прямоугопьные импульсы с ШИМ, передаваемые через выходной трансформатор 4 на выпрямитепь 5, 20 сгпажйвающий фипьтр 6 и нагрузку. Уровень выходного постоянного напряжения . определяется шириной импульсов, снимаемых с выхода инвертора 1, которая зависит. от величины входного напряжения и тока нагрузки и задается блоком 9 управления. Так, при возрастании входного напряжения и уменьшении тока на грузки ширина импупьсов уменьшается и компенсирует возможное увепичение З0 выходного стабилизированного напряжения, отклонение которого от номинапьной вепичины опредепяется иэмеритепьным мостом 37, содержащем в одном из ппеч источник опорного напряжения - стабипитрон (фиг.2). В зависимости от вепичины этого откпонения изменяется сопротивпение регупирующего апемента 36, вносимое в базовые цепи транзисторов ведомого генератора 29 через трансфор- 40 матор 31 обратной связи, обеспечивающий сохранение гапьванического раздепе ния сетей питания и нагрузки.

Регупирование ширины импульсов на выходе инвертора 1 осуществляет бпок 4>

9 управления спедующим образом.

Прямоугольные импульсы, снимаемые с выходных обмоток трансформатора 28 задающего генератора и трансформатора

30 ведомого генератора, сдвинуты по фазе относитепьно друг друга. При одинаковой попярности эти импупьсы сумми руются, подаются через токоограничивающие цепи 32 и 33 на базу соответству» ющего транзистора 2 (3) инвертора 1, и этот транзистор входит в насьпцение.

При церекпючении генератора 27 происходит выкпючение транзистора 2 (3) через запирающий диод 34 (35), и на выходе инвертора 1 формируется пауза между иипупьсами. Поспедующее переключение ведомого генератора 29 приводит к включению второго транзистора

3 (2} инвертора 1. В дальнейшем процессы повторяются. Регулирование фазы между прямоугопьными напряжениями на выходах генераторов осуществпяется за счет управпения величиной задержки, необходимой для выхода транзисторов ведомого генератора 29 из насыщения Величина атой задержки, равная времени выхода транзистора из насыщения, опредепяет паузу между импульсами на выходе, инвертора 1 и, как следствие, — уровень выходного напряжения и зависит от сопротивпения регупирующего эпемента 36, вносимого через трансформатор 31 обратной связи. Так, при увеличении выходного напряжения возрастает отпираюшее напряжение с измеритепьного моста

37, сопротивление стпйрающихся транзисторов регупирующего алемента 36 уменьшается, возрастает .базовый ток во время насыщенного состояния транзисторов ведомого генератора 29 и время выхода этих транзисторов иэ насыщения, что приводит к увеличению задержки, уменьшению ширины импупьсов на выходе инвертора 1 и снижению выходного напряжения преобразователя. Т.е. эа счет

1 обратной связи блок 9 управления автоматически изменяет угол модуляции и компенсирует отклонения выходного напряжения от его номинапьной вепичияы, возникающие при воздействии дестабипизирующих факторов. Следовательно, ширина импульсов регупируется так, что поспе их выпрямле ния (U » на фиг. 3 0 ) сглаженное напряжение (J на выходе сглаживающего фипьтра 6 остается стабильным, В режиме хопостого хода блок унравпения уменьшает угол модупяции & до минимапьно возможной вепичины (фиг.

3 б), опредепяемой максимально достижимым временем выхода транзисторов ведомого генератора 29 иа,насыщения»и временем выхода из насыщения транзисторов 2 и 3 регупируемого инвертора 1 (угпом коммутации), которое имеет значитепьную вепичину при мапом токе нагрузки преобразователя и коппекторном токе атих транзисторов. В реэупьтате конденсатор сгпаживающего фильтра 6 накапливает энергию и эарщкается за Весколько периодов до напряжения, равюго амплитуде импупьсов на выходе выпрами1035 тепя 5. Режим стабилизации выходного напряжения нарушается. При напични блока 18 релейного режима вводится второй (допопнитепьный) канал обратной связи . (фиг. 1), и питание на блок 9 управпения подается через транзистор 24 ключевого эйемента 23, открытого за счет базового тоха смешения через резистор

25. В указанном спучае при сбросе тока нагрузки 5q (фиг. 3 a ) начинается заряд конденсатора сгпаживаюшего фильтра 6, напряжение: йа котором Ц увепичивается (фиг.32) и после достижения величины, на ЬО больше номинальной, приводит к срабатыванию порогового эпемента 19 t5 (щюбою стабипитрона 20). Через оптоэлектронный ключ элемента 22 гальвани ческой развязки начинает протекать ТоК.

Этот элемент включается и закорачивает управляющий переход транзистора 24 20 ключевого эпемента 23, который выкпючается. Ток 1р через него становится равным нулю (фиг.З Э), питание с бпока

9 управления снимается и последний прекращает генерацию управпяющих сигналов 25 0д (фиг. Зе). Регупируемый инвертор 1 вь„цйпочается, а сглаживающий фипьтр 6 начинает разражаться эа счет токов утечки конденсатора фипьтра,. обратного тока диодов выпрамитепя 5тока,,измеритепь Зо ного моста 37 и т,д. Напряжение на выходе преобраэоватепя снижается, пороговый элемент 19 выключается, вместе с эпементом 22 гапьианической развязки, 7Р3 8 включается кпючевой:ачемент 23, подает- ся питание на бпок 9 управления, запускается регулируемый инвертор 1, начинает заряжаться сглаживающий фильтр 6.

В дальнейшем процессы повторяются н происходит стабипизация выходного напряжения в интервале ЬU на уровне, нескопько превышающем уровень выходного напряжения, стабипиэируемого за счет

ШИМ. При наличии тока нагрузки блок

18 репейного режима не оказывает влияния на работу преобразоватепя, так как ключевой эпемент 23 остается постоянно вкпюченным, а пороговый эпемент 19 и эпемент .22 гальванической развязкивыкпюченными.

Таким образом, в режиме холостого хода ипи во время паузы Ilpg импульсной нагрузке стабилизация напряжения на выходных зажимах осуществляется с помощью блока 18 репейного режима,обеопечиваюшего релейно-импульсный режим работы бпока 9 управпения, выдающего . серию управляющих импульсов с поспедующей паузой, во время которой этот блок отключен от питающей сети. Дости- гаемый эффект позволяет испопьэовать преобразователь на высоких (от десяти до сотен кипогерц) частотах при работе на импупьсную нагрузку и в режиме хопостого хода без снижения KHg, неоправданного завышения его мощности и уве» пичения массы и габаритов теппоотводяшей конструкции.

1038753

1035753

1035753

S

0 е

Составитель. Н. Бишевскаи

Редактор М. Петрова ТехредМ.Гергель . КорректорА. Дзятко

Заказ 5851/57 Тираж 687 Подписное

ННИИПИ Государственного комитета СССР по цепам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж«35, Раушския наб., д. 4/5 фнпиап ППП Патент, r. Ужгород, уп. Проектюм,. 4