Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике. Может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - повышение КПД и улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении. Транзисторы преобразователя 4 напряжения включают в заданный момент времени, определяемый напряжением от задающего генератора (ЗГ) 1. Прямоугольное опорное напряжение источника 13 и пилообразное напряжение формирователя 16, пропорциональное измеренному напряжению, являются двухполярными относительно одной из шин питания. При превышении по абсолютному значению амплитуды пилообразного напряжения над опорным формируют запрет на дальнейшую работу соответствующего транзистора преобразователя 4 с помощью модулятора 19. Формирование опорного напряжения возобновляется в момент очередной смены полупериода ЗГ 1. КПД повышается за счет работы источника 13 на переменном токе и выключения его во время пауз, а также за счет применения пассивной схемы модулятора 19. Амплитуда пилообразного напряжения определяется напряжением первичной сети, что улучшает динамические характеристики преобразователя 4. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ С08ЕТСННХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

09) OO

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCtiOMY аВИДИтеЛЬСтвм

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР (2I) 4313625/24-07 (22) 24.08.87 (46) 23.07.89. Бюл. Ф 27 (72) В.Н.Скачко (53) 621.316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 896610, кл. G 05 F 1/46, Н 02 М 3/335, 1979.

Авторское свидетельство СССР

М 941968, кл. G 05 Р 1/00, 1978, (gg 4 G 05 F 1/46 Н 02 М 3 337

2 (54) СПОСОБ ИМПУЛЪСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

ДБ ХТАКТНОГО СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОBATKJIR ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике. Может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения — повышение КПД и улучшение

3 1495767 де RC-цепи с конденсатором 17 и ре зистором 18, двухтактный широтно-импульсный модулятор 19 с р-и-р транзистором 20 и и-р-и транзистором

21, переменным резистором 22 и резисторами 23 и 24, инвертирующий формирователь 25 .импульсов на транзисторе 26 и неинвертирующий формирователь 27 импульсов на транзисторах 28 и 29.

Устройство по фиг,2 содержит также, узел 30 обратной связи,оптронный резистор 31 с резистором 18 (в этом случае фоторезистор) и фотодиодом

32, а также резистор 33, Первые входы логических элементов

2И-НЕ 2 и 3 подключены соответственно к противофазным выходам задающего генератора 1, а вторые входы — соответственно к выходам формирователей

25 и 27 импульсов, Выходы логических элементов подключены.к управляющим входам транзисторов 5 и 6 преобразователя 4. Вторичная обмотка 9 трансформатора 7 через выпрямитель 11 и фильтр 12 подключена к нагрузке непос редственно (фиг.l), а при стабилизации напряжения или тока нагрузки (фиг.2) — через узел 30 обратной связи, на который подается также эталонное значение стабилизируемого параметра, Выходы широтно-импульсного модулятора 19, которыми являются коллекторы транзисторов 20 и 21, подключены к входам инвертирующего 25 и неинвертирующего 27 формирователей импульсов.

Первый вход широтно-импульсного модулятора 19, являющийся подвижньы вью динамических. характеристик в услови-, ях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении . Транзисторы преобразователя 4

5 напряжения включают в заданный мо" мент времени, определяемый напряжением от задающего генератора (ЗГ) 1.

Прямоугольное опорное напряжение источника 13 и пилообразное напряжение формирователя 16, пропорциональное измеренному напряжению, являются двухполярными относительно одной из шин питания. При превышении по абсолютному значению амплитуды пилообразного напряжения над опорным формиИзобретение относится к электротехнике, в частности к преобразованию и стабилизации параметров электрической энергии, и может быть использовано в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры при необходимости получения постоянных стабилизированных напряжений из более низких постоянных нестабилизированных напряжений при предъявлении повышенных требований к коэффициенту полезного действия.

Цель изобретения — повышение коэффициента полезного действия и улучшение динамических характеристик 35 в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком

его значении.

ha фиг.1 представлена схема устрой-. ства для реализации способа ймпульс- 40 ной стабилизации двухтактного преобразователя напряжения; на фиг.2то же, для стабилизации напряжения или тока нагрузки, на фиг.3 - эпюры в характерных точках схемы. 45

Устройство для осуществления .предложенного способа содержит задающий генератор 1, первый и второй ло-. гические элементы 2И-НЕ 2 и 3, преоб50 разователь 4 с транзисторами 5 и 6 и выходным трансформатором 7, имеющим первичную обмотку 8, вторичную обмотку 9 и служебную обмотку 10, выпрямитель 11, фильтр 12, источник 13 двухполярного опорного напряжения с двуханодным стабилитроном 14 и резис-. .тором 15> формирователь 16 пилообразного напряжения, выполненный в вируют запрет на дальнейшую работу со-. ответствующего транзистора преобразователя 4 с помощью модулятора 19.

Формирование опорного напряжения возобновляется в момент очередной смены полупериода ЗГ 1. КПД повышается за счет работы источника 13 на переменном токе и выключения его во время пауз, а также за счет применения пассивной схемы модулятора 19.

Амплитуда пилообразного напряжения определяется напряжением первичной сети, что улучшает динамические характеристики преобразователя 4.

1 3 и ° ф лы 3 ил °

95767

5 14 водом переменного резистора 22, крайние выводы которого подключены к эмиттерам транзисторов 20 к 21 через резисторы 23 и 24, подключен к выходу источника 13 двухполярного опорного напря»агния. Входы формирователя 16 пилообразного напряжения и источника 13 опорного напряжения подключены к служебной обмотке 10 трансформатора 7. В случае стабилизации напряжения или тока нагрузки (фиг ° 2) в качестве резистора 18 используется фоторезистор 31 оптрона, светодиод 32 которого через резистор 33 подключен к выходу узла 30 обратной связи, Работа устройства для случая, когда напряжение первичной сети равно или несколько ниже напряжения ста билиэации, осуществляется следующим, образом.

Задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой на обоих выходах на 180, в силу чего на оба логических элемента 2И-НЕ 2 и 3 подаются единицы от задающего генератора 1 по переменно (диаграммы 34 и 35). На других входах логических элементов

2И-НЕ 2 и 3 постоянно присутствует напряжение питания (логическая единица) и потому на выходах логических элементов 2И-HE 2 и 3 синхронно с единицами задающего генератора 1 поР являются нули, от которых приводят-, ся в действие транзисторы 5 и 6 преобразователя 4. На вторичной обмотке

9 его трансформатора 7 возникают прямоугольные импульсы, повторяющие форму напряжения задающего генератора I, В режиме стабкпизации, наступающем при повышении входного напряжения в постоянном напряжении на двух входах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 формируются вырезы (кули). При этом идут следующие процессы: с обмотки 1 0 трансформатора

7 прямоугольное (формы "Меандр" или широтно-модулированное) напряжение через резистор 15 прикладывается к двуханодному стабилитрону 34 источника 13 опорного напряжения,на котором возникает двухполярное напряжение 36, стабилизированное по амплитуде .(при любой полярности) . Конденса». тор 1 7 RC-цепи .формирователя 1 6 пилообразного напряжения в каждом полупериоде заряжается, стремясь достиг5

55 нуть напряжения обмотки 10, ко кл достигаег его, так как постоянная времени заряда этого конденсатора выбирается больше половины периода прямоугольного напряжения задающего генератора 1. При смене полупериода происходит переразряд конденсатора

17 н напряжение на нем стремится тоже до напряжения обмотки 10> но уже противоположной полярности. Если напряжение на стабилитроке 14 сразу же принимает полярность напряжения обмотки 10, то напряжение ка кокденI саторе 17 (37) может сравняться с напряженнем стабилитрона 14 с запаздыванием в каждом полупериоде (диаграммы 36 и 37).

При дальнейшем нарастании напряжения на конденсаторе 17 открывается транзистор 20 широтно-импульсного модулятора 19 при положительной полярности напряжения стабилнтрона 14 и конденсатора 17 либо транзистор 21— при отрицательной, Базовые токи этих транзисторов протекают через резисторы 23 и 24. Появляются импульсы: либо положительные (диаграмма 38) на коллекторе транзистора 20 в одном полупериоде, либо отрицательные (диаграмма 39) на коллекторе транзистора

21 — в другом полупериоде. Длительность этих импульсов определяется соотношением амплитуд напряжений конденсатора 17 и стабилитрона 14. Начинаются эти импульсы (диаграммы 38 и

39) при превышении напряжением конденсатора 17 напряжения стабилитрона 14.

При положительной полярности импульсов.(снимаемых с коллектора транзистора 20) открывается транзистор

26 инвертирующего формирователя 25 импульсов и напряжение на его коллекторе снижается до уровня ниже логического нуля, а при отрицательной " закрывается транзистор 28 в нейнвертирующем формирователе 27 импульсов, вследствие чего открывается его транзистор 29 и теперь напряжение логического нуля устанавливается на коллекторе этого транзистора. С этого момента исчезает положительное напряжение (единица1 ка втором входе логического элемента 2И-НЕ 2 нли 3, который подключен к коллектору тран-. зистора 26 или 29, введенного в состояние проводимости (диаграммы 40 и 41).

149 767

Ha éû ñoäàõ ëîãè÷åñêèx элементов

2И-НЕ 2 и 3 образуется сигнал логической единицы .(диаграммы 42 и 43), и ранее открытый транзистор преобра5 зователя 4, относящийся к этому элементу 2И-НЕ, закрывается. В формируемом преобразователем двухполярном напряжении (диаграмма 44) образуется пауза, длящаяся до конца текущего . 10 полупериода задающего генератора 1.

На время паузы исчезает опорное напряжение (диаграмма 36), а конденсатор 17 разряжается, стремясь к нулю 15 напряжения, однако вследствие того, что постоянная времени разряда выбирается большей максимально, возможной, дЛительности паузы (не менее 2/3 по-. лупериода} на всем ее протяжении, 20 формирователь 25 импульсов в одном полупериоде или формирователь 27 импульсов в другом удерживается в том же состоянии, которое он принял в начале паузы. Состояние этих формирователей диаграммы 40 и 41) остается неизменным и после смены полу;периодов задающего генератора 1 до, тех пор, пока в ходе начавшегося с новым полупериодом задающего генера- 30 тора перезаряда (диаграмма 37) не прекратится базовый ток транзистора

26 или транзистора 29. При переходе напряжения конденсатора 1? через нуль импульсы, определившие состояние формирователей 25 и 27 импульсов на время паузы, заканчиваются.

Тем не менее,,благодаря логическому умножению напряжений на входах логических элементов 2И-НЕ 2 и 3 пауза 10 в работе транзисторов 5 и 6 преобразователя 4 длится строго до окончания данного полупериода. Поэтому крутизна переднего фронта отрицательных импульсов на выходе логических элемен 4 тов 2И-НЕ определяется только быстродействием этих элементов. Крутизна заднего фронта импульсов также определяется быстродействием логических элементов 2И-НЕ и транзисторов форми50 рователей 25 и 27 импульсов несмотря на сравнение в широтно-импульсном модуляторе 19 при образовании этого фронта относительно медленнО нарастающего напряжения с неизменным до кача- ла сравнения опорным напряжением. Это объясняется наличием в схеме регенеративного процесса, при котором в самой начальной стадии формирования зад ! него фронта происходит уменьшение опорного напряжения, что еще больше увеличивает напряжение на данном выходе широтно-импульсного модулятора, а это влечет за собой еще большее понижение напряжения на выходе данного формирователя импульсов и в конечном счете лавинообразное повышение напряжения на в поре соответствующего логического элемента 2И-НЕ, выключение опорного напряжения и закрывание ранее работавшего транзистора преобразователя.

Указанные явления обуславливают не только высокую крутизну фронтов импульсов, управляющих транзисторами преобразователя 4, но и идентичность длительностей полупериодов преобразователя. Начальная установI ка равенства этих полупериодов производится переменным резистором(потекциометром) 22, которым компенсируются разбросы резисторов 23 и 24, а также входных сопротивлений формирователей 25 и 27 импульсов и временных характеристик переключения транзисторов 5, 6, 26, 28 и 29.

С переключением задающего генератора 1 начинается новый полупериод преобразователя 4. Работает противоположный его транзистор, активизируемый логическим элементом 2И-НЕ, не действовавшим в предыдущем полупериоде.

Конденсатор 17 достигая в процессе перезаряда напряжения стабилитрона

14, обуславливает качало паузы в текущем полупериоде — вплоть до его окончания.

Для стабилизации выходного напряжения или тока независимо от тока нагрузки или ее сопротивления служит узел 30 обратной связи, который сравнивает напряжение с датчика стабилизируемого параметра с напряжением эталонного источника. Узел 30 обратной связи воздействует через резистор

33 и светодиод 32 (фиг.2) резисторного оптрона на резистор 18, который в этом случае является фоторезистором 31 оптрона, изменяя постоянную времени RC-цепи формирователя 16 пилообразного напряжения — увеличивая ее при уменьшении вьподного параметра, или уменьшая при его увеличении.

Новый полупериод задающего генератора обуславливает формирование преобразователем 4 очередного широтно1495767

"0 модулированного импульса, соотношение длительности которого к длительности полупериода задающего генератора 1 определяется уровнем напряжения сети 5 а при стабилизации напряжения или тока — нагрузки — ее характеристиками.

Предложенный способ импульсной. стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного на- 10 пряжения имеет то преимущество перед известными, что позволяет повысить коэффициент полезного действия, причем особенно существенно при малых мощностях преобразователя, когда мощ- 15 ность, отдаваемая в нагрузку, сравнима с мощностью, используемой стабили зированным преобразователем для собственных нужд. Снижение потребления электрической энергии на собственные 20 нужды обеспечивается следующими факторами.

Стабилитрон работает на переменном токе и нет потерь на выпрямление (напряжение сети меньше напряжения стабилизации источника опорного напряжения).

Во время паузы в работе преобразователя в полупериодах источник опор. ного напряжения выключается и не по- 30 требляет ток.

Операция сравнения пилообразного

ia прямоугольного напряжений производится практически без потребления энергии. К широтно-импульсному модулятору, выполняющему эту операцию, электрическая энергия от сети не подводится, т.е. схема модулятора пассив" ная. Его транзисторы 20 и 21 работа".40 ют за счет того, что через их переходы идет часть тока RC-цепи, в кото рой С вЂ” емкость конденсатора 17, а

R — омическое сопротивление разветвленной цепи, в которую входят резис-4 торы 18,22-24 и входные сопротивления формирователей 25 и 27 импульсов.

Улучшение динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком

50 ее значении обеспечивается эа счет того, что амплитуда пилообразного напряжения непосредственно определяется напряжением первичной сети, а не в. зависимости от выходного напряжения, являющегося результатом работы преобразователя после выпрямления и . фильтрации, что свойственно для известного способа, B устройстве это реализовано за счет -того, что напряжение служебной обмотки 1О трансформатора 7 преобразователя 4 линейно зависит от уровня напряжения первиччсй сети, а всякие изменения этого напряжения приводят к изменению амплитуды пилообразного напряжения RC-цепи формирователя 16 пилообразного напряжения и, следовательно, к изменению длительности импульсов широтно-импульсного модулятора 19 и преобразователя 4 без временных задержек, возникающих при регулировании с выхода фильтра.

При стабилизации напряжения илн тока нагрузки по предложенному способу тоже появляется составляющая регулирования по выходному возмущению (в виде изменения величины резистора самой RC-цепи), но сохраняется и прямая зависимость амплитуды пилообразного напряжения от напряжения первичной сети. формула и з о б р е т е н и я

1. Способ импульсной стабилизации двухтактного статического преобразователя постоянного напряжения в постоянное или переменное напряжение на двух транзисторах и с задающим генератором, заключающийся в том, что измеряют входное или/и выходное напряжение, сравнивают его с опорным переменным напряжением, формируют широтно-модулированные сигналы для управления транзисторами двухтактного преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения КПД и улучшения динамических характеристик в условиях всплесков и провалов напряжения первичной сети при низком его значении, транзисторы преобразователя включают в заданный момент времени, определяемый напряжением от зада" ющего генератора, укаэанное переменное опорное напряжение и пилообразное напряжение, используемое для формирования указанных широтно-модулированных сигналов, формируют двухполярными относительно одной из шин питания, при этом первое из них — прямоугольной формы, а второе — пропорционально измеряемому напряжению, сравнивают эти напряжения попеременно в обоих полярностях, а для получения указанных широтно-модулированных сигналов

1495767

<8108 в момент прев1пчения по абсолютному. значению амплитуды пилообразного напряжения над опорным формируют запрет на дальнейшую работу соответствующего 5 транзистора преобразователя в данном полупериоде напряжения задающего генератора, отключают опорное напряжение, выявляют-момент смены полупериода и возобновляют формирование опорно-lp го напряжения в момент очередной смены полупериода с полярностью, противоположной .предшествующему полупериоду °

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и .с я тем, что, с целью стабилизации постоянного напряжения или тока нагрузки, измеренное напряжение на выходе преобразователя выпрямляют, фильтруют, измеряют напряжение на датчике стабилизируемого параметра, сравнивают его с эталонным значением и скоросФБ нарастания пилообразного напряжения изменяют в .прямопропорциональной зависимоСти от величины от" клонения стабилизируемого параметра относительно эталонного значения.

1495767

Составитель А.Волкова

Редактор В.Данко Техред М.Дидык . Корректор В.Гирняк Заказ 4265/45 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент" ° г. Ужгород, ул. Гагарина, 101