Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение КПД и качества стабилизации выходного напряжения. Введение в схему компаратора 11, делителя напряжения на резисторах 12 и 13, блока 15 временной задержки и блока 16 формирования запускающих импульсов позволяет ограничить частоту переключений силового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе. Поэтому динамические потери в транзисторе 5 снижаются, а КПД устройства повы-. шается. Введение блока 16 также повышает КПД устройства за счет формирования узких импульсов отпирания транзистора 5. Качество стабилизации обеспечивается уменьшением выходных пульсаций. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. § (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 02 М 3/335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТСРСИОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3936519/24-07 (22) 30.07.85 (46) 15.01,87. Бюл. Р 2 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (72) В.M.ÏHìåíîâ и К.Г.Лакирович (53) 621.316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 985557., кл. Н 02 М 3/335, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Ф 10953328.А, кл. Н 02 М 3/335, 1983 ° (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВА ТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изоб„„Я0„„12839О6 А1 ретения — повышение КПД и качества стабилизации выходного напряжения.

Введение в схему компаратора 11, делителя напряжения на резисторах 12 и 13, блока 15 временной задержки и блока 16 формирования запусканицих импульсов позволяет ограничить частоту переключений силового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе. Поэтому динамические потери в транзисторе

5 снижаются, а КПД устройства повышается. Введение блока 16 также повышает КПП устройства за счет формирования узких импульсов отпирания транзистора 5. Качество стабилизации обеспечивается уменьшением выходных пульсаций. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

3906

1 128

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Цель изобретения — повышение КПД и качества стабилизации выходного напряжения.

На фиг, 1 представлена. функциональная схема предложенного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения," на фиг.2 — временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие его работу.

Устройство содержит накопительный дроссель 1 (фиг.1) с обмотками входной 2, выходной 3 и обратной связи 4, силовой транзистор 5, силовые выпрямитель и фильтр, условно объединенные в блоке 6, вспомогательный транзисторный ключ 7, последовательную RCцепочку 8 с резистором 9 и конденсатором 10 компаратор 11, делитель напряжения с резисторами 12 и 13, вспомогательный блок 14 выпрямления и сглаживания, блок 15 временной задержки, блок 16 формирования запус кающих импульсов с двухвходным элементом 17 И, инвертором 18 и нульорганом 19, блок 20 обратной связи, выполненный по схеме дифференциального усилителя с оптронным выходом, блок 21 первоначального запуска. Схема содержит клемму 22 для подключения потенциального вывода первичного источника питания, а также клеммы 23 и .24 для подключения нагрузки. Коллектор силового транзистора 5 через входную обмотку 2 накопительного

4 дросселя 1 соединен с клеммой 22, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала. Блок 6 с силовыми выпрями- телем и фильтром включен между выходной обмоткой 3 накопительного дросселя 1 и клеммами ?2, 24. К выходу блока 6 подключен вход блока 20 обратной связи. Вход вспомогательного блока 14 выпрямления и сглаживания соединен с обмоткой 4 обратной связи накопительного дросселя 1, подключенной через балластньпЪ резистор (не обозначен) к эмиттер-базовому переходу силового транзистора 5. Последователь° иая RC-цепочка 8 включена параллельно обмотке 4 обратной связи накопительного дросселя 1. Вспомогательный транзисторный ключ 7 включен параллельно эмиттер-базовому переходу силового транзистора 5. Вход резистивноro делителя 12-13 напряжения подключен к вьгходу вспомогательного блока 14 выпрямления и сглаживания, а выход — к одному иэ входов компаратора 11 ° Другой вход компаратора 11 соединен с выводами конденсатора 11 последовательной RC-цепочки 8, а выход через блок 15 временной задержки — с цепью управления вспомогательного транзисторного ключа 7. Выход

10 блока 20 обратной связи включен параллельно выходу реэистивного делителя 12-13 напряжения, между входным потенциальным выводом которого и клеммой 22 включен блок 21 первоначального запуска.. Первый вход блока

16 формирования запускающих импульсов (вход нуль-органа 19) соединен с выводами обмотки 4 обратной связи накопительного дросселя 1, второй вход (вход инвертора 18) — с выходом блока

15 временной задержки, а выход (вьгход элемента 17 И) — с цепью управления силового транзистора 5. В блоке 16 формирования запускающих импульсов выходы нуль-органа 19 и .инвертора 18 подключены к входам элемента 17 И.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсаторы

30 фильтров выпрямителей 6, 14 и RC-цепочек 8, 21 разряжены. Процесс включения преобразователя напряжения осуществляется подачей постоянного напряжения U... питания между клеммой

З5 22 и шиной нулевого потенциала. Под действием постоянного напряжения U происходит заряд конденсаторов блока

21 первоначального запуска и вспомогательного блока I4 выпрямления и

40 сглаживания. Напряжением с фильтра блока 14 эапитываются компаратор 11, блок 15 временной задержки, блок 16 формирования запускающих импульсов.

В начальный момент времени конденсатор 10 RC-цепочки 8 разряжен и поэтому на инвертирующем входе компаратора 11 присутствует потенциал, равный нулю. На неинвертирующий вход

50 компаратора 11 подается положительный потенциал с выхода резистивного делителя 12-13 напряжения. При этом на выходе компаратора 11 появляется сигнал высокого уровня, который поступа55 ет на вход блока 15 временной задержки (сигнал высокого уровня на входе или выходе логического элемента считается единичным, а сигнал низкого уровня — нулевым).

06 порциональное входному в соответствии с выбранным коэффициентом трансформации. Напряжение, наведенное на выходной обмотке 3, имеет полярность, обратную проводимости силового выпрямителя 6 и не поступает на выход устройства.

Под действием напряжения, наведенного в обмотке 4 обратной связи дросселя 1, дозаряжается конденсатор фильтра выпрямителя 14, заряжается конденсатор 10 последовательной RCцепочки 8, дополнительно подается ток в базовую цепь силового транзистора 5, а нуль-орган 19 переключается в нулевое состояние по выходу. На выходе логического элемента 17 И появляется нулевой сигнал и, соответственно, прекращается запускающий ток с выхода блока 16 формирования запускающих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5. Однако последний продолжает надежно удерживаться в открытом состоянии сигналом с обмотки

4 обратной связи дросселя 1. Таким образом, блок 16 формирования запускающих импульсов формирует узкий импульс тока, который заканчивается в момент полного открывания силового транзистора 5.

На этапе подключения входной обмотки 2 дросселя 1 к первичному источнику питания в ней линейно нарастает ток и пропорционально квадрату тока запасается электромагнитная энергия, Одновременно на конденсаторе 10

RC — öåïî÷êè 8 линейно возрастает напряжение с темпом, определяемым параметрами этой цепи. Данноиу состоянию устройства соответствует "режим накопления".

Когда напряжение на конденсаторе

10 RC-цепочки 18 сравняется, а затем и превзойдет напряжение на средней точке резистивного делителя 12-13, компаратор 11 переключится в состояние с нулевым сигналом на выходе. При появлении на входе блока 15 временной задержки сигнала нулевого уровня на его выходе cpasy появляется единичный сигнал. Этим сигналом открывается вспомогательный транзисторный ключ

7, его выходом шунтируется базовая цепь силового транзистора 5, и последний начинает форсированно закрываться.

Параметры RC-цепочки 8 выбраны таким образом, что за время нарастания напряжения на конденсаторе 10 до

3 12839

Блок 15 временной задержки выполнен таким образом, что при появлении на его входе единичного сигнала на выходе нулевой сигнал появляется не сразу, а спустя некоторое время, определяемое параметрами элементов, составляющих временную задержку. При .подаче на вход блока 15 временной задержки нулевого сигнала на выходе вырабатывается единичный сигнал без !О выдержки времени. Таким образом, при появлении единичного сигнала на входе блока 15 временной задержки на его выходе присутствует единичный сигнал в течение длительности задержки, Этим 5 сигналом открыт вспомогательный транзисторный ключ 7. Выходной цепью ключа 7 зашунтирована базовая цепь силового транзистора 5, и последний надежно закрыт. 20

Одновременно единичный сигнал с выхода блока 15 временной задержки подается на вход инвертора 18 блока

16 формирования запускающих импульсов и преобразуется в нулевой сигнал на его выходе. Далее нулевой сигнал по. ступает на первый вход элемента 17 И и устанавливает последний в нулевое состояние по выходу. Выходная цепь элемента 17 И является выходом блока ЗО

16 и поэтому на входе силового транзистора 5 отсутствует импульс запуска.

Через небольшой интервал времени на выходе блока 15 временной задержки 35 появляется нулевой сигнал. Этим сигналом закрывается вспомогательный транзисторный ключ 7. Одновременно нулевой сигнал с выхода блока 15 подается на вход инвертора 18, а с его 40 выхода единичный сигнал поступает на . первый вход элемента 17 И. На выходе элемента 17 И появляется единичный сигнал, так как íà его втором входе присутствует единичный сигнал с вы- 45 хода нуль-органа 19, а на входе последнего — нулевой сигнал с выхода обмотки 4 обратной связи дросселя 1 °

Под действием единичного сигнала на выходе блока 16 формирования запуска- 50 ющих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5 течет запускающий ток и последний открывается. В результате к входной обмотке 2 дросселя

1 прикладывается постоянное входное напряжение и ток в этой обмотке начинает линейно возрастать. При этом на обмотках выходной 3 и обратной связи 4 наводится напряжение, про1

5 128 момента переключения компаратора 11 ток во входной обмотке 2 не достигает значения насыщения для дросселя и не превысит безопасное значение коллекторного тока силового транзистора 5.

При запирании силового транзистора

5 накопленная во входной обмотке 2 дросселя 1 энергия электромагнитного поля передается через выходную обмотtcy 3 на выход устройства в виде импульса тока через выпрямительный диод в фильтрующий конденсатор блока 6 и в нагрузку. При этом полярность напряжения на обмотках дросселя 1 меняет свой знак. Данному состоянию устройства соответствует "режим потребления".

В начальный момент включения устройства конденсатор силового фильтра в блоке 6 разряжен до нуля. Поэтому при переходе устройства в режим потребления выходная обмотка 3 дросселя

1 оказывается закороченной на данный конденсатор. В результате наведенное в обмотке обратной связи 4 напряжение имеет малую величину и нуль-орган 19 переключается в единичное состояние по выходу, подготавливая блок 16 Аормирования запускающих импульсов к последующему включению.

Единичным сигналом с выхода блока

15 временной задержки надежно закрыт силовой транзистор 5 и блокирован блок 16 запускающих импульсов, причем первый — по цепи через вспомогательный транзисторный ключ 7, а второй— через инвертор 18. На этом этапе ра. боты устройства конденсатор 10 RCцепочки 8 разряжается. Через определенное время единичный сигнал на выходе блока 15 временной задержки сменяется нулевым, вспомогательный ключ закрывается, а на выходе устройства блока 16 формирования запускающих импульсов появляется единичный сигнал. Силовой транзистор 5 открывается, и вновь начинается режим накопления.

Режимы накопления и потребления периодически повторяются и через некоторое время силовой конденсатор в блоке 6 заряжается до уровня заданного значения выходного напряжения U1|

При этом на обмотке обратной связи 4 дросселя 1 устанавливается номинальный уровень напряжения как в режиме накопления, так и в режиме потребления. Этим напряжением заряжается и разряжается конденсатор 10 RC-цепочки

8, определяя величину порции энергии, накапливаемой в дросселе 1 и отдаваемой в нагрузку. На данном этапе работы устройства в режиме потребления ка обмотке обратной связи 4 дросселя наводится напряжение отрицательной полярности, которым надежно запирается силовой транзистор 5 по цепи базы.

1Р Кроме того, на выходе нуль-органа 19 появляется нулевой сигнал. Этим сигналом блокируется блок 16 Аормирования запускаюг1их импульсов. Поэтому срабатывание временной задержки при15 водит только к запиранию вспомогательного транзисторного ключа 7.

Переход к режиму накопления от режима потребления происходит в момент полного окончания передачи энергии из

20 входной обмотки 2 дросселя 1 в цепь нагрузки. В этот момент наведенное в обмотках выходной 3 и обратной связи 4 напряжение становится равным нулю. На выходе нуль-органа 19 появляется единичный сигнал, под действием которого Аормируется запускающий импульс на отпирание силового транзистора 5, переводящий устройство в режим накопления.

В момент установления на нагрузке преобразователя напряжения номинального напряжения вступает в работу блок 20 обрабной связи. При превышении напряжения Up над номинальным на выходе диААеренциального усилителя блока 20 обратной связи появляется сигнал, который приоткрывает выходной транзистор оптопары. Транзистор опто,10 пары начинает шунтировать резистор

13. Напряжение на средней точке делителя 12-13 и соответственно на неинвертирующем входе компаратора 11 уменьшается. При этом переключение компаратора 11 в нулевое состояние по выходу происходит при меньшем напряжении на конденсаторе 10 RC-цепочки 8. Это вызывает уменьшение времени открытого состояния силового транзистора 5 и уменьшение энергии, запасаемой в дросселе 1 в режиме накопления и отдаваемой в нагрузку в режиме потребления. В результате преобразователь напряжения переходит в установившийся режим стабилизации выходного напряжения, при котором количество передаваемой с входа на выход энергии равно энергии, потребляемой в нагрузке.

7 1283

Рассмотрим работу преобразователя напряжения при пульсирующей нагрузке.

Предположим, что преобразователь напряжения работает с малым нагруэочHbIM ToKoM I (cM. Аиг.2, G.) ° В этом режиме частота и период Т переключений силового транзистора 5 в основном определяется длительностью временной задержки t блока 15 и неэна) чительно превышает частоту переклю- 10 чений силового транзистора 5 при номинальном нагрузочном токе I„„,„

Во входной 2 и выходной 3 обмотках дросселя 1 протекают токи Т (Аиг.1, b) и I> (Аиг.2,6 ), а на выходах бло- 15 .ка 15 временной задержки и блока 16 формирования запускающих импульсов имеют место сигналы U, (Аиг.2, ) и

U,z (Аиг,2,g ). При наложении нагрузки на выходе преобразователя напря-, 20 жение несколько уменьшается. Блок 20 обратной связи реагирует на это изменение пропорциональным уменьшением степени открывания выходного транзистора оптопары, соответственно увели- 25 чивается напряжение на резисторе 13.

В результате практически беэ задержки преобразователь напряжения начинает передавать с входа на выход импульсы тока большей продолжительности З3

-и амплитуды и Аорсированно скомпенсирует увеличение нагрузки на выходе.

При снятии нагрузки процесс происходит в обратном порядке и также практически беэ задержки. Таким образом, данный преобразователь напряжения обеспечивает уменьшенные пульсации в U„„„, т.е. более качественную стабилизацию П,„ при пульсирующей нагрузке. 40

Ограничение частоты переключений силового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе преобразователя напряжения позволяет существенно сни- 45 зить динамические потери в силовом транзисторе 5 и повысить КГЩ устройства. Кроме того, наличие временной задержки обеспечивает надежный запуск устройства при первоначальном 5р включении, когда выходной Аильтр, практически "наглухо закорачивает выходную обмотку 3 дросселя 1 и обмотку 4 обратной связи в режиме потребления. 55

Введение в преобразователь напряжения блока 16 запускающих импульсов вместо применяющейся обычно реэистив906 8 ной цепи смещения также обеспечивает повышение КЩ преобразователя напряжения эа счет Аормнрования узких (длительностью 5-.15 мкс) импул; сов отпирания силового транзистора 5.

Формула изобретения

1. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, коллектор которого через входную обмотку накопительного дросселя соединен с клеммой для подключения потенциального вывода первичного источника питания, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала, силовой выпрямитель, вход которого соединен с выходной обмоткой накопительного дросселя, блок обратной связи, выполненный по схеме диААеренциального усилителя с оптронным выходом, и силовой Аильтр, входы которых подключены к выходу силового выпрямителя, соединенному с клеммами для подключения нагрузки, вспомогательный блок выпрямления и сглаживания, вход которого соединен с обмоткой обратной связи накопительного дросселя, подключенной через балластный резистор к эмиттер-базовому переходу силового транзистора, последовательную RC-цепочку, включенную параллельно обмотке обратной связи накопительного дросселя, вспомогательный транзисторный ключ, включенный параллельно змиттер †базово переходу силового транзистора, блок первоначального запуска, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения КГЩ и качества стабилизации выходного напряжения при пульсирующей нагрузке, в него введены компаратор, реэистивный делитель напряжения, блок временной задержки и блок Аормирования запускающих импульсов, причем вход резистивного делителя напряжения подключен к выходу вспомогательного блока выпрямления и сглаживания, а выход — к одному иэ входов компаратора, другой вход компаратора соединен с выводами конденсатора последовательной RC-цепочки, а выход через блок временной задержки — с цепью управления вспомогательного транзисторного ключа, выход блока обратной связи включен параллельно выходу реэистивного делителя напряжения, между входным потенциальным выводом которого и клеммой для подключения потен12

Составитель Л.Морозов

Техред B.Кадар Корректор А.Обручар

Редактор А.Долинич

Заказ 7455/55 Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 циального вывода первичного источника питания включен блок первоначального запуска, первый вход блока формирования запускающих импульсов соединен с выводами обмотки обратной связи накопительного дросселя, второй вход— с выходом блока временной задержки, а выход — с цепью управления силового транзистора.

83906 10

2, Преобразователь по п,1, о т— л и ч а ю шийся тем, что блок формирования запускающих импульсов содержит элемент И, выход которого является выходом блока, нуль-орган и инвертор, выходы которых подключены к входам элемента И, а выходы являются соответственно первым и вторым входами блока.