Импульсный стабилизатор переменного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике ,в частности, к устройствам регулирования переменного напряжения, и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение К.П.Д и уменьшение пульсаций входного тока. При отклонении сетевого напряжения от номинального значения блок 10 сравнения, воздействуя на широтно-импульсный модулятор 11, обеспечивает попеременное открывание соответствующих ключевых элементов. Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностями импульса одновибратора 15 и паузы генератора 13. Увеличение К.П.Д стабилизатора происходит за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах. Пульсации входного тока снижены благодаря использованию на входе дросселя. Кроме того, достоинством стабилизатора является снижение предельных требований к ключевым элементам за счет снижения максимального тока через ключевые элементы и напряжения на них в закрытом состоянии. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 05 F l/44

ВСЕСОВВИ.",Я

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4236018/24-07 (22) 27.04.87 (46) 15.07.89. Бил. Р 26 (71) 1 осковский технологический институт Иинистерства бытового обслуживания населения РСФСР (72) С.И. Червяков (53) 621.316.722.1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

- Р 1130839, кл. G 05 F l/20, 1983.

Авторское свидетельство СССР

Р 1334116, кл. G 05 F 1/20, 1986. (54) ИИПУЛЬСНЫИ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕИЕННО ГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам регулирования переменного напряжения, и мржет быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение КПД и уменьшение пульсаций

„„80„„1493987 А 1

2 входного тока. При отклонении сетевого напряжения от номинального значения блок 10 сравнения, воздействуя на широтно-импульсныи модулятор 11, обеспечивает попеременное открывание соответствующих ключевых элементов.

Стабилизация осуществляется автомати" чески изменением соотношения между длительностями импульса одновибрато" ра 15 и паузы генератора 13. Увеличение КПД стабилизатора происходит за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах. Пульсации входного тока снижены благодаря использованию на входе дросселя. Кроме того, достоинством стабилизатора является снижение предельных требований к ключевым элементам за счет снижения максимального тока через ключевые элементы и напряжения на них в закрытом состоянии. 2 ил .

3 1493987

11эобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам регулирования переменного напряжения, и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры.

Цель изобретения — увеличение КПД и уменьшение пульсаций входного тока.

Ца фиг.l представлена схема импульсного стабилизатора переменноro напряжения, на фиг,2 — схема широтноимпульсного модулятора с подключенным к ней блоком сравнения.

Стабилизатор содержит дроссель 1, 15 ключевые элементы 2-6, дополнительные конденсатор 7 и дроссель 8, конденсатор 9, блок 10 сравнения и широтно-импульсный модулятор 11. Нагрузка 12 подключена к выходным выво- 20 дам.

Ниротно-импульсньй модулятор 11 (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор 13, дифференциру, ющую цепочку 14 и одновибратор 15 с регулируемой длительностью импульса, логические ячейки И 16 и 17, ИЛИ-HE

18, RS-триггер 19 и логический сумматор 20. Входы логических ячеек 16 и

l7 соединены соответственно с прямыми и инверсными входами генератора

13 и одновибратора 15, управляющий вход которого подключен к входу широтно-импульсного модулятора 11. Выходы ячеек 17 и 16 соединены соответ- 35 ственно с входами R u S триггера 19. с первым и вторым входами сумматора

20, годклЬченного третьим входом к выходу триггера 19, и с входами ячей ки ИЛИ-НЕ 18. Выходы логических яче- 40 ек 16, 17 и 18, инверсный и прямой и выходы логического сумматора 20 являются соответственно первнм, вторым, третьим, четвертым и пятнм выходами широтно-импульсного модулято- 45 ра 11.

Блок 10 сравнения содержит, нап" ример, датчик 21 амплитуды выходного напряжения и регулируемкй источник

22 напряжения (например, дифференциальный усилитель, один из входов которого соединен с опорным напряжени-, ем, а второй — с выходом датчика 21).

Первые выводы ключевых элементов

2, 3 и 4 подключены через дополнительный дроссель 1 к входному выводу, а вторые выводы этих ключевых элемен" тов соединены соответственно с общей шиной, с первым выводом дополнительного кон;и полтора 7, второй внl вод которого Ilo;l,h ючеH к общей шине, и с первым выводом дросселя ",, который через ключевые элементы 5 и 6 подключен соответственно к первом; и второму выводам конденсатора 7.

Второй вывод дросселя 8 соединен с выходным выводом. Между выходным выводом и общей шиной подключены конденсатор 9, нагрузка 12 и вход блока 10 сравнения, выходом соединенный с входом широтно-импульсного модулятора 11. Первкй, второй, третий, четвертый и пятый выходы широтно-импульсного модулятора 11 выполнены гальванически развязанными (например, с помощью оптронов) и соединены соответственно с управляющими 6, 2, 4, 3, 5 ключевых элементов. Ключевые элементы 2-6 выголненн двухполярными, например, транзистор, включенный в диагональ диодного выпрямительного моста.

Стабилизатор работает следующим образом.

Частота переключения ключевых элементов во много раз превышает частоту сети, причем при напряжении сети выше номинального ключевой элемент

2 всегда закрыт. При этом, блок 10 для сравнения и широтно-импульсный модулятор 11 обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов одновременно 4,5 и 3,6. Поэтому конденсатор 7 всегда подключен к первому выводу дросселя 1 через открытые ключевые элементы либо 3, либо 4 и 5.

В результате дроссель 1 и конденсатор 7 образуют фильтр низких час-r тот, (причем номиналы дросселя 1 и конденсатора 7 выбраны так, чтобы частота среза этого фильтра была больше частоты сети и меньше частоты переключения ключевых элементов), низкочастотная составляющая выходного напряжения которого равна напряжению сети. При этом, на вход фильтра, образованного дросселем 8 и конденсатором 9, поступают высокочастотные импульсы напряжения, огибакидая которых представляет синусоиду, час тота которой равна частоте питающей сети. В момент открытого состояния ключевых элементов 4 и 5 конденсатор

9 и дроссель 8 накапливают энергию, причем часть энергии поступает от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 4, а остальная часть — от

1493987 конденсатора 7 через ключевой элемент 5. !1ри закрывании ключевых элементов 4 и 5 открываются ключевые элементы 3 и 6, конденсатор 7 заря5 жается от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 3, а драссель 8 разряжается на конденсатор 9 и нагрузку

12. Следовательно, в момент паузы напряжение на нагрузке 12 поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе 8 и конденсаторе 9. Таким образом, происходит преобразование высокочастотных импульсов напряжения, поступающих на вход фильтра, 15 образованного дросселем 8 и конденсатором 9, в переменное напряжение с частотой сети. При этом, номиналы емкости конденсатора 9 и нндуктнвности дросселя 8 выбираются так, что- 20 бы частота среза фильтра была больше частоты сети и меньше частоты переключення ключевых элементов.

Амплнчуда выходного напряжения определяется скважностью работы клю- 25 чевого элемента 5. В режиме стабили" зации длительность импульсов тока через ключевой элемент 5 регулируется автоматически блоком !О сравнения и широтно-импульсным модулятором ll, поддерживая на нагрузке 12 напряжения с постоянной амплитудой.

При напряжении сети меньше номинального блок 10 сравнения, воздействуя на широтно-импульсный модуля35 тор 1 1, обеспечивает попеременное открывание ключе вых элементов одновременно 2, 5 и 3, 4 и закрытое состояние ключевого элемента 6. При открытых ключевых элементах 2 и 5 дроссель 1 накапливаст энергию от сети через элемент 2, а конденсатор

7 разряжается, отдавая свою энергию в нагрузку 12 через ключевой элемент

5 и фильтр, образованный дросселем 8 и конденсатором 9. При закрывании ключевых элементов 2 и 5 широтно-импульсный модулятор обеспечивает открывание ключевых элементов 3 и 4.

При этом част энергии, поступающей

Ф

50 от сети через дроссель 1, через ключевой элемент 4 и фильтр, образованный дросселем 8 и конденсатором 9, поступает в нагрузку 12, а остальная часть - через ключевой элемент 3 заряжает конденсатор 7.

При закрывании ключевых элементов

3 и 4 открываются ключевые элементы

2 и 5 и весь процесс вновь повторяется. В результате этого на выходе стабилизатора появляется напряжение с частотой сети.

Величина этого напряжения определяется скважностью импульсов тока через ключевой элемент 2. Постоянная амплитуда напряжения на выходе поддерживается автоматически блоком 10 сравнения и широтно-импульсным модулятором 11, которые регулируют длительность импульсов тока через ключевой элемент 2.

Блок 10 сравнения работает следующим образом.

Напряжение с выхода стабилизатора поступает на вход датчика 21 амплитуды выходного напряжения, а с его выхода сигнал, пропорциональный амплитуде выходного напряжения, поступает на управляющий вход регулируемого источника напряжения, в котором происходит сравнение величины управляющего напряжения с эталонным, а его выходное напряжение линейно зависит от разности этих напряжений . Это напряжение поступает на вход широтно-импульсного модулятора 11 и управляет его работой.

Лиротно-импульсный модулятор 11 работает следующим образом.

Напряжение с выхода блока 10 сравнения поступает на управляющий вход одновибратора 15 с регулируемой дли тельностью импульса, запуск которого осуществляется по заднему фронту импульса генератора 13 диффереицирующей цепочкой 14. При этом, если длительность паузы генератора меньше, чем длительность импульса одиовибратора для сигналов, снимаемых с их прямых выходов, происходит перекрытие импульсного генаратора и одновибратора, и на выходе логической ячейки И 16 на входы которой поступают сигналы с прямых выходов генератора 13 и одновибратора 15, периодически появляется сигнал логической единицы. Длительность импульсов напряжения на выходе логической ячейки

16 равна разности длительностей им". пульса одновибратора и паузы гейефатора. На выходе логической ячейки 17, на входы кбторой подаются сигналы с инверсных выходов генератора и одновибратора, при таких условиях постоянно поддерживается единичный логический уровень, а логические уровни на выходе ячейки И 16 и инверсном

° 7

1493987

40 иия между длительностями и пульса одновибратора 15 и паузы генератора 13.

Предложенная схема позволяет увеЪ личить КПД стабилизатора за счст уменьшения потерь мощности на ключевых элементах. Это объясняется тем, что суммарные потери на открытых ключевых элементах, при грочих равных условиях пропорциональны сумме токов через эти ключевые элементы. ныходе логического сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уронням на выходе ячейки ИЛИ-HF. 18 и прямом выходе сумматора 20, которые совпадают между собой.

Если же длительность паузы генератора 13 больше, чем длительность импульсов одновибратора 15, то напряжение логической единицы будет периоди- 10 чески появпяться на выходе логической ячейки И 17, а на выходах логи-.. ческой ячейки И 16 и триггера 19 будет постоянно поддерживаться напряжение логического нуля. При этом, ло- 15 гические уровни на выходе ячейки И

17 н прямом выходе сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уровням на выходе ячейки ИЛИ-HF 18 и иннерсн".м нь. ходе логического сумма- 20 тора 20. Длительность импульсов на выходе логической схемь И 17 равна разности длительностей паузы генератора и импульса однонибратора.

Таким образом, меняя длительность 25 ж:пульса однонибратора 15 можно осуществлять стабилизацию выходного напряжения, сделав уровень логической единицы напряжением, открывающим ключевые элементы. 11ричем, если напряже- 30 ние сети больше номинального, длительность импульса однснибратора больше длительности паузы генератора, и, следовательно, ключевой элемент

2 будет постоянно закрыт, а ключе35 вые элементы попарно 3, 6 и 4, 5 будут периодически переключаться.

При напряжении ети меньше номинального длительность импульсов одновибратора становится меньше длительности паузы генератора, и в результате этого ключевой элемент 6 будет постоянно закрыт, а ключевые элементы попарно 2, 5 и 3, 4 будут периодически переключаться.

Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношеВ изне.стной схеме сумма токов через открытые ключевые элементы равна удвоенному току нагрузки при напряжении сети больше номинального и удвоенному входному току при напряжении сети меньше номинального.

В предложенном устройстве большую часть времени открыты либо ключевые элементы 4 и 5 (при напряжении сети больше номинального), суммарный ток через которые равен току нагрузки, либо ключевые элементы 3 и 4 (при напряжении сети меньше номинального), суммарный ток через которые равен входному току. При открытых ключевых элементах либо 2 и 5, либо

3 и Ь суммарный ток равен сумме входного тока и тока нагрузки. Поэтому суммарный ток через открытые ключевые элементы в предложенной схеме всегда меньше, чем в схеме-прототипе, а, следовательно, предложенная схема обладает большим КПД.

Кроме того, достоинством гредложенной схемы является значительное уменьшение пульсаций входного тока (из-за использования на входе стабилизатора дросселя 1) по сравнению с прототипом, где входной ток имеет нид импульсов, амплитуда которых приблизительно равна току нагрузки.

Еще одним достоинством предложенной схемы является тот Аакт, что ключевые элементы н ней должны быть расчитаны на максимальный входной ток стабилизатора (н открытом состоянии) и максимальное входное напряжение (в закрытом состоянии), в отличие от известной схемы, в которой ток максимальный через ключевые элементы и напряжение на ннх в закрытом состоянии по крайней мере вдвое больше. Из-за индуктинностей рассеивания полуобмоток дросселя на ключевых элементах прототипа возможны перенапряжения, проектирование этих элементов сложнее, а стоимость их больше, чем н предложенной схеме.

Таким образом, предложенное устройство обладает большим КПД (за счет меньших динамических потерь), уменьшенными пульсациями входного тока и снюкенными (вдвое) предельными требованиями к ключевым элементам.

Фо р мул а и з о б р е те н ия

Импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый

149 j987 ключевои элемент, первый и второй выводы которого подключены через второй и третий ключевые элементы к общей шине, дроссель, включенный между вторым выводом первого ключе- . вого элемента и выходным выводом, конденсатор, подключенннй к внхадным выводам, с которыми соединен также вход блока сравнения, выходом подключенного к входу широтно-импульсного модулятора, выходы которого нодключены к управляюг им входам соответствующих ключевых элементов, причем широтно-импульсный модулятор состоит из генератора, прямой выход которого через дифференцирующуи цепочку соединен с запускающим входом одновибратора, управляющий вход которого подключен к входу широтноимпульсного модулятора, двух ячеек

И, входы первой из которых соединены с прямыми, входы второй — с инверсными выходами генератора и одновибратора, а выходы подключены соот ветственно к первому и второму выходам широтно-импульсного модулятора, о т. л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения КПД и уменьшения пульсаций входного тока, в него введены дополнительный дроссель, четвертый и пятый ключевые элементы и ходы которого подключены соответственно к инверсному и прямому выходам сумматора, соединенного третьим вхо25 дом с выходом RS-триггера, причем первый, второй, третий, четвертый и пятый вь ходы широтно-импульс pro модулятора подключены соответствен- . но к управляющим входам третьего, gp второго, первого, четвертого, пятого ключевых элементов.

20 дополнительный конденсатор, причем дополнительный дроссель включен ме кду входным выводом и первым выводом первого ключевого элемента, первьпi и второй выводы которо го подключены соответственно через четвертый и пятый ключевые элементы к первому выводу дополнительного конденсато",а, второй вывод которого соединен с общей шиной, кроме того, широтно-импульсный модулятор снабжен RS-триггером, ячейкой ИЛИ-НЕ и логическим

=умматором, при этом выходы гервой и второй ячеек И подключены соответственно к входам R u S триггера, к первому и второму входам логического сумматора и к входам ячейки ИЛИ-НЕ, соединенной выходом с третьим выходом широтно-импульсно" го модулятора, четвертый и пятый вы1493987

Составитель A. Волкова

Техред Л. Олийнык Корректор Т., Малец

Редактор И. Сегляник

Закаэ 4109/44, Тирам 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но иэобретениям и открытиям арн ГКНТ СССР

113035, Москва, М-35, Раувская наб., д. 4/S

Щгоиэводственно-иэдателъский комбинат "Патент", r. Укгород, ул. Гагарина, 101