Однотактный преобразователь напряжения постоянного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5g 4 Н 02 М 3/335 G 05 F 1/46

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3910177/24-07 (22) 17.06.85 (46) 30.11.86. Бюл. У 44 (72) В.И.Говырин, Г.С.Власов и С.В.Худяков (53) 621.316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 960776, кл. G 05 F 1/64, 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 817687 кл. G 05 F 1/56, 1981.

Бачурин В,В. и др. Мощные переключающие МДП транзисторы и их применение. Часть 2. Области применения, Обзоры по электронной технике. Серия 2. Полупроводниковые приборы.

Выпуск I (1013), с . 31, рис. 27. (54) ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к вторичным источникам питания. Цель изобретения — повышение надежности работы преобразователя, а также его упрощение. В результате "мягкого" запуска преобразователя открывается управляющий транзистор 10. Выброс напряжения на выходе дифференцирующего звена

12 запирает МДП-транзистор 14 и мощный биполярный транзистор 16 ° Выброс тока не проходи1 в нагрузку. Устанавливается динамическое равновесие.

Пара МДП-транзистор 14 — мощный биполярный транзистор 16 работает как составной транзистор, управляемый напряжением. Коммутирующий транзистор

13 и эмиттерный резистор 11 занимает базу транзистора 16 на общую шину в момент прохождения отрицательного импульса на затворе транзистора 14.

Второй резистор смещения 8 обеспечивает работоспособность компаратора 7. Для упрощения схемы дифференцирующее звено 12 выполнено в виде дифференцирующей RS-цепи с постоянной времени, равной или большей периода выходного напряжения генератора пилообразного напряжения 5. Для повышения надежности работы в широком диапазоне выходных напряжений звено 12 надо выполнять с динамическим смещением. 2 з.н. ф-лы. 3 ил.

12

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания и .в электронных устройствах преобразовательной техники.

Цель изобретения — повышение надежности работы устройства.

74088 2 нулю), напряжение Б на выходе блока 6 гальванической развязки равно нулю, а напряжение на выходе усилителя 3 сигнала обратной связи равно

1 5с = (Поп — "оо ) 1О

1S

25 ПМАЫ о

S5 На фиг. 1 представлена функциональная схема однотактного преобра-. зователя напряжения постоянного тока; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства при разомкнутой обратной связи; на фиг. 3 — то же, при замкнутой связи.

Устройство содержит входную силовую шину 1, источник 2 опорного напряжения, усилитель 3 сигнала обратной связи, интегратор 4, генератор 5 пилообразного напряжения, блок 6 гальванической развязки, компаратор 7, второй резистор 8 смещения коллекторный резистор 9, управляющий транзистор 10, эмиттерный резистор 11, дифференцирующее звено

12, коммутирующий транзистор 13, МДП-транзистор 14, первый резистор

15 смещения, биполярный транзистор

16, выходной трансформатор 17, выпрямитель 18, фильтр 19, выходную шину 20..

На временной диаграмме фиг. 2 обозначены: а — выходной сигнал генератора пилообразного напряжения, б — сигнал на выходе компаратора, в — входной сигнал дифференцирующего звена, r — - выходной сигнал дифференцирующего звена, д — сигнал на коллекторе мощного биполлярного транзистора, е — сигнал на выходе выпрямителя.

На временной диаграмме фиг. 3 " те же сигналы при замкнутой обратной связи (соединение входа блока гальс ванической развязки 6 с выходной шиной устройства 20).

Устройство работает следующим образом.

При поступлении на входную силовую шину 1 входного постоянного напряжения поступает питание на источник 2 опорного напряжения, усилитель 3 сигнала обратной связи, интегратор 4, генератор 5 пилообразного напряжения, компаратор 7, резистор 8 смещения, коллекторный резистор 9 и на входную обмотку выходного трансформатора 17, При этом пока сигнал обратной связи равен нулю (выходной сигнал равен где К вЂ” коэффициент усиления, задаваемый усилителю 3;

Uo„ — напряжение источника 2 опорного напряжения.

На один вход компаратора 7 поступает пилообразное напряжение U„„ù, с выхода генератора 5 пилообразного напряжения (фиг. 2), а на другой вход — выходное напряжение интегратора 4, равное в момент поступления питающего напряжения К U и . С целью ограничения импульсного выброса тока в нагрузку при включении питания (поступления на входную силовую шину постоянного напряжения), а также для обеспечения режима "мягкого" запуска преобразователя амплитуда пилообраз ного напряжения выбрана из условия

При этом условии в начальный момент времени на выходе компаратора 7 устанавливается положительное напряжение, которое открывает управляющий транзистор 10. В результате вход дифференцирующего звена 12 через коллекторно-эмиттерный переход управляющего транзистора соединяется с общей шиной устройства. Это обеспечивает появление на выходе дифференцирующего звена 12 выброса напряжения отрицательной полярности, которое запирает ИДПтранзистор, а в результате заперт и мощный биполярный транзистор. Входная обмотка выходного трансформатора 17 оказывается обесточенной и выброса тока в нагрузку не происходит. После прохождения начального момента"начинается переходной процесс установления динамического равновесия в схеме. При этом выходное напряжение интегратора 4 уменьшается до значения, равного К U „ до нуля, и когда оно становится меньше амплитуды пилообразного напряжения, на выходе компаратора 7 появляются короткие положительные опрокинутые им- пульсы напряжения, а на коллекторе управляющего транзистора 10 — корот кие положительные импульсы амплитуз 1274 дой, равной входному напряжению (нап ряжению на входной силовой шине 1).

Вид этих напряжений приведе% на фиг. 33 . Далее эти импульсы поступают на вход дифференцирующего звена

12 и при .постоянной времени дифференцирующего звена, большей или равной.периоду этой импульсной последовательности (периоду генератора пилообразного напряжения) на его выходе 10 формируется знакопеременное прямоугольное напряжение, приведенное на фиг. 3о, 2 l. При этом если постоянные времени заряда и разряда дифференцирующего звена равны, то площади 15 положительных и отрицательных импульсов, формируемых на выходе дифференцирующего .звена, равны. Например, при разомкнутой обратной связи в преобразователе на вход дифференцирующего 20 звена поступает последовательность положительных импульсов со сважностью, .равной двум. Амплитуда положительных и отрицательных импульсов, формируемых на выходе дифференцирую- >> щего звена, равны между собой и равны половине амплитуды входных импульсов (фиг. 32), а при увеличении скважности входных импульсов (обратная связь замкнута) происходит увеличе- 30 ние амплитуды положительных импульсов и уменьшение амплитуды отрица" . тельных импульсов на выходе дифференцирующего звена, но при этом площади их остаются равными. 3S

Эти импульсы поступают на затвор

ИДП-транзистора 14 и управляют величиной его тока стока, т.е. в момент прихода положительных импульсов к истоку в ИДП-транзисторе течет ток, пропорциональный амплитуде положительных импульсов, прошедших на затвор. Этот ток поступает в базу мощ- 4l ного бИполярного транзистора и открывает его. В момент прихода отрицательных импульсов на затвор ИДП-транзистора он запирается, тем самым обесточивая базу мощного биполярного транзистора 16 и запирая его. Таким образом, пара ИДП-транзистор — мощ- щ ный биполярный транзистор работает как составной транзистор, управляемый напряжением. В результате этих процессов на коллекторе мощного биполярного транзистора формируется пос- у ледовательность однополярных положительных импульсов амплитудой, примерно равной напряжению на входной

088 4 силовой шине 1. Глубина запирания пары ИДП-транзистор — мощный биполярный транзистор зависит от величины амплитуды отрицательных импульсов на затворе ИДП-транзистора, Чем эта величина больше, тем меньше остаточный ток ИДП-транзистора, тем глубже заперт мощный биполярный транзистор.

Практически при амплитуде отрицательных импульсов более 3 В величина остаточного тока мала и не вызывает отпирания мощного биполярного транзистора. Далее импульсы с выходной обмотки выходного трансформатора 17 поступают на вход выпрямителя 18. На

его выходе формируется выпрямленное напряжение, величина которого пропорциональна амплитуде и скважности выпрямленных импульсов (фиг. Зо-е).

По мере уменьшения выходного напряжения интегратора 4 величина скважности периодической последовательности импульсов, формируемых на коллекторе мощного биполярного транзистора

16, стремится к двум, а вьиодное напряжение преобразователя — к максимальному значению (фиг. 3e). Так как обратная связь замкнута, то часть. выходного напряжения через блок 6 гальванической развязки поступает на первый вход усилителя 3 сигнала обратной связи. Его выходное напряжение начинает уменьшаться, как только оно становится меньше опорного напряжения, интегратор 4 изменяет направление интегрирования и его выходное напряжение увеличивается, что вызывает изменение скважности импульсной последовательности, поступающей на вход выпрямителя и вызывает уменьшение величины выходного напряжения. При уменьшении его ниже некоторой величины, определяемой коэффициентом усиления усилителя сигнала обратной связи, величина выходного напряжения этого усилителя становится больше опорного напряжения и выходное напряжение интегратора опять уменьшается, вызывая увеличение выходного напряжения устройства.

После достижения состояния равновесия в схеме выходное напряжение не изменяется, однако, изменяя коэффициент усиления усилителя 3 сигнала обратной связи, можно установить желаемую величину выходного напряжения устройства. Введенные коммутирующий транзистор 13 и эмиттерный резистор

1274088

"p

Uex — — -1 нотр

К 0-1

) — - — — = К раз, Q-1

11 обеспечивают замыкание базы мощного биполярного транзистора 16 на общую зону устройства в момент прохождения отрицательного импульса на затворе МДП-транзистора 14, так как при этом открыт управляющий транзистор 13, который в свою очередь шунтирует база-эмиттерный переход мощного биполярного транзистора 16, обеспечивая его надежное запирание. Введен- 10 ный второй резистор 8 смещения необ" ходим для обеспечения работоспособности компаратора 7 при соединении его коллекторного выхода с базой управляющего транзистора 10. 15

С целью упрощения устройства дифференцирующее звено 12 выполнено в виде дифференцирующей RC-цепи с постоянной времени, равной или большей перехода выходного напряжения генера- 2п тора 5 пилообразного напряжения. При этом постоянные времени заряда и разряда дифференцирующей RC-цепи равны между собой, а их величина выбрана из условия неискаженного прохождения 25 импульсов через дифференцирующую цепь. При увеличении скважности периодической последовательности импульсов, поступающих на вход RC-цепи, амплитуда положительных импульсов на щ ее выходе возрастает, а амплитуда отрицательных импульсов уменьшается пропорционально увеличению скважности, Наступит момент, когда амплитуда отрицательных импульсов уменьшится настолько, что ее не хватит для за- . пирания МДП-транзистора 14 и последний может открыться. Так как в зто время мощный биполярный транзистор 16 заперт открытым коммутирующим тран- 4О зистором 13, через последний и протекает ток открывшегося МДП-транзистора

14, что вызывает ухудшение энергетических характеристик устройства, а именно — снижение его КПД. Кроме то- д5

ro, если начальный ток открывшегося

МДП-транзистора 14 имеет значительную величину, то может открыться и мощный биполярный транзистор 16, что вызывает еще более значительное ухуд-5О шение его энергетических характеристик и приводит к нарушению работоспособности устройства в целом, т.е. к снижению его. надежности. Поэтому с целью повышения надежности работы устройства в широком диапазоне выходных напряжений дифференцирующее звено предлагается выполнить с динами4 ческим смещением. Из теории импульсных устройств известно, что в дифференцирующем звене возникает динамическое смещение при условии, например, неравенства постоянных времен заряда и разряда дифференцирующего звена, которые можно определить по формуле где < — постоянная времени разряда дифференцирующего звена 12;

< <,о — постОянная времени заряда дифференцирующего звена 12;

Q — скважность входной периодической последовательности импульсов;

U — амплитуда импульсов входьх ной периодической последовательности;

U, — амплитуда отрицательных импульсов на выходе дифференцирующего звена 12;

Т вЂ” период выходных импульсов генератора пилообразного напряжения 5.

Пользуясь приведенной формулой, легко определить, что для получения одной и той же амплитуды отрицательных импульсов на выходе дифференцирующего звена 12 при возрастании скважности в К раз необходимо, как минимум, во столько же раэ уменьшить постоянную времени заряда относительно постоянной времени разряда дифференцирующего звена 12:

Применение однотактного преобразователя позволяет повысить и улучшить энергетические характеристики электронных устройств, в составе которых они используются в широком диапазоне выходных напряжений.

Формула из обре те ния

1. Однотактный преобразователь напряжения постоянного то1<а, содержащий источник опорного напряжения, 7 12740 усилитель сигнала обратной связи, интегратор, генератор пилообразного напряжения, блок гальванической развязки, компаратор, ИДП- и биполярный

З ранзисторы, включенные по схеме составного транзистора, выходной трансформатор, выходная обмотка которого через последовательно соединенные выпрямитель и фильтр соединена с выходной шиной, а первичная обмотка 10 одним концом соединена с входной силовой шиной, а другим — со стоком

ИДП и коллектором биполярного транзистора, база которого соединена с истоком и поДложкой МДП-транзистора и первым выводом первого резистора смещения, а эмиттер — с вторым выводом первого резистора смещения и с общей шиной, вход блока гальванической развязки соединен с выходной 2р шиной, выход — с первым входом усилителя сигнала обратной связи, выход которого соединен с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с вторым входом усилителя 25 сигнала обратной связи и с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообраз- ЗО ного напряжения, о т л.и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности работы устройства, в него введены управляющийи коммутирующий транзисторы одного типа проводимости с би88 8 полярным транзистором, коллекторный и эмиттерный резисторы, второй резистор смещения и дифференцирующее звено, вход которого соединен с первым выводом коллекторного резистора и с коллектором управляющего транзистора, сигнальный выход — с затвором ИДПтразистора, а общий выход — с общей шиной, база управляющего транзистора соединена с первым выводом второго резистора смещения и с выходом компаратора, второй вывод второго резистора смещения соединен с вторым выводом коллекторного резистора и входной силовой шиной, эмиттер управляющего транзистора соединен с первым выводом эмиттерного резистора и с базой коммутирующего транзистора, змиттер которого соединен с вторым выводом эмиттерного резистора и с общей шиной, а коллектор — с базой биполярного транзистора.

2. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения устройства, дифференцирующее звено выполнено в виде

RC-цепи с постоянной времени, определяемой частотой генератора пилообразного напряжения.

3. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности работы в широком диапазоне выходных напряжений, дифференцирующее звено выполнено с динамическим смещением. фиг, Я

1274088

ых.

Фиг. 8

Составитель Е. Финогенов

Редактор Н. Киштулинец Техред;В.Кадар Корректор А. Тяско .

Закаэ 6487/55

Тирах 631

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ухгород, ул. Проектная, 4