Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - упрощение и повышение качества стабилизации. Устройство содержит силовой блок 1, выполненный в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа, импульсного параллельного регулятора напряжения повышающего типа или импульсного параллельного регулятора напряжения инвертирующего типа, управляемый питающим напряжением источник 2 постоянного тока, вспомогательный источник 3 постоянного тока, диодный коммутатор 4 тока и компаратор 5, реализованный как регенеративный узел с гистерезисом передаточной характеристики, времязадающий конденсатор 6. Составные блоки 2-6 образуют автогенератор, генерирующий последовательность широтно-модулированных прямоугольных импульсов, используемую для управления силовым блоком 1. Упрощение конструкции достигнуто за счет исключения отдельного задающего генератора, а повышение качества стабилизации - путем устранения зависимости выходного напряжения от значений емкости времязадающего конденсатора 6, частоты переключения и параметров компаратора 5. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (51) 4 Н 02 М 3/335 .,п4цяд

ДАТ ;Д;-„(ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

У=,ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4386926/24-07 (22) 04.03.88 (46) 23.11.89. Бюл, В 43 (71) Московский энергетический инс ти тут (72) А.Г.Поликарпов, F..Ô.Ñåðãèåíêî и В.М,Титкин (53) 621. 316, 7 22. 1 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 902167, кл, Н 02.М 3/335, 1980, Поликарпов А,Г., Сергиенко F,,Ô, Схемы управления импульсных стабилизаторов постоянного напряжения с

ШИМ-регулированием, — Голупроводниковая электроника в технике связи,/Под ред. Н.Ф.Николаевского, М.;

"Связь", 1977, вып. 18, с. 149-157, рис, 1, (54) СТАБИЛИЗИРУН)ЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО TOKA (57) Изобретение относится к электротехнике, в честности к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, Цель изобретения — упрощение и повышение качества стабилизации. Устройство содержит

2 силовой блок 1, выполненный в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа, импульсного параллельного регулятора напряжения инвертирующего типа, управляемый питающим напряжением источник 2 постоянного тока, вспомогательный источник 3 постоянного тока, диодный коммутатор 4 тока и компаратор 5, реализованный как регенеративный узел с гистереэисом передаточной характеристики, времяэадающий конденсатор 6, Составные блоки 2-6 образуют автогенератор ° генерирующий последовательность широтно-модулированных прямоугольных импульсов, используемую для управления силовым блоком 1, Упрощение конструкции достигнуто sa счет исключения отдельного эадающего генератора, а повышение качества стабилизации — путем устранения зависимости выходного напряжения от значений емкости времязадающего конденсатора 6, частоты переключения и параметров компаратора 5, 3 s.n. ф-лы, 4 ил.

1524!41

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации вторичного электропитания радиоэлектронной an5 паратуры„

Цель изобретения — упрощение и повышение качества стабилизации.

На фиг.l представлена общая струк турная схема предлагаемого стабилизирующего преобразователя напряжения постоянного тока; на фиг,2-4 — функци1 ональные схемы стабилизирующих преобразователей соответственно понижающего, повышающего и инвертирующего типа, Преобразователь содержит силовой блок 1 (фиг.1), управляемый питающим напряжением Е источник 2 постоянного тока, вспомогательный источник 3 постоянного тока, коммутатор 4 тока, компаратор 5 в виде регенеративного узла с гистерезисом передаточной характеристики, времязадающий конденсатор 6 с емкостью С, выводы 7 и 8 для 25 подключения первичного источника питания, выводы 9 и 10 для подключения нагрузки. Силовой блок 1 содержит ключ 11 (фиг„2-4), дроссель 12, диод

13, конденсатор 14. Коммутатор 4 тока выполнен либо в виде первого 15 и второго 16 диодов (фиг,2 и 3), либо дополнительно с третьим 17 и четвертый 18 диодом (фиг,4), Силовой блок 1 включен между выводами 7 и 8 для подключения первичного источника питания и выводами 9 и 10 для подключения нагрузки. Один из полюсов управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока 40 соединен с выводом 7 для подключения первичного источника питания. Выход компаратора 5 подключен к управляющему входу силового блока 1. Времязадаю щий конденсатор 6 включен между вход- 45 ным и общим выводами компаратора S.

Первый входной вывод коммутатора 4 тока соединен с другим полюсом управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока, а первый выходной вывод " с входным выводом компаратора 5, Вспомогательный источник 3 постоянного тока включен между выводом 8 для подключения первичного источника питания и вторым входным выводом коммутатора 4 тока с обеспечением входного тока последнего, противоположного по направлению входному току от управляемого питающим напряжением F. источника 2 постоянного тока. Второй входной вывод коммутатора

4 тока соединен с выходным выводом компаратора 5„

При наличии силового блока 1 в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа, т,е. с включением ключа 11 и дросселя 12 последовательно с нагрузкой (фиг,2), в коммутаторе 4 тока одноименные электроды (аноды) диодов 15 и 16 подключены к первому входному выводу, другой электр л (катод) диода 15 — к второму входному и первому выходному выводам, а другой электрод (катод) диода 16 — к второму выходному выводу, При наличии силового блока 1 в виде импульсного параллельного регулятора напряжения повышающего типа, т,е. с включением ключа 11 параллельно нагрузке (фиг.3) в коммутаторе 4 тока одноименные электроды (катоды) диодов 15 и 16 подключены к второму входному выводу, другой электрод (анод) диода 15 — к первому входному и первому выходному выводам, а другой электрод (анод) диода

16 — к второму выходному выводу.

При наличии силового блока 1 в виде импульсного параллельного регулятора напряжения инвертизирующего типа, т.е, с включением дросселя 12 параллельно нагрузке (фиг,4), в коммутаторе 4 тока диоды 15-18 образуют мост, вход которого подключен к входным выводам, а выход — к выходным выводам.

Преобразователь работает следующим образом.

Компаратор 5 совместно с времязадающим конденсатором 6, управляемым питающим напряжением Е и вспомогательными источниками 2 и 3 постоянного, а также коммутатором 4 тока образуют автогенератор, генерирующий последовательность прямоугольных импульсов. Если на выходе компаратора 5 установлен высокий потенциал, то вследствие связи коммутатора 4 тока с выходом компаратора 5 из источников 2 и 3 формируется ток заряда I конденсатора 6, напряжение на котором увеличивается по линейному во времени закону. Когда это напряжение достигает верхнего порога срабатывания компаратора 5, последний переключается

5 15241 в состояние, при котором на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения, ноздействующий на коммутатор 4 тока так, что на его пер— ном выходе появляется отрицательный ток Ip, обеспечинающий разряд конденсатора 6, причем значение разрядного тока I в общем случае определяется эначейиями токов источников 2 и 3.

Вследствие разряда конденсатора

6 напряжение на нем уменьшается и при достижении нижнего порога срабатывания .компаратор. 5 вновь переключается в состояние, когда на его выходе устанавливается высокий потенциал.

Далее процессы повторяются, Если предположить, что первый из рассмотренных временных интервалов соответствует 20 длительности включенного состояния регулирующего ключа I1 силового блока

1 (длительности импульса t ), а второй — выключенному состоянию (длительности паузы t„), обозначить через 5U 25 разность порогов срабатывания компаратора 5, определяемую гистереэисом передаточной характеристики, то укаэанные длительности определяются соотношениями: 30

В подавляющем большинстве случаев в устройствах электропитания применяются преобразонатели постоянного на35 пряжения, работающие в режимах непрерывного изменения потока в магнитных элементах и имеющие один из трех видов регулировочных характеристик

Преобразователь (фиг. 2) имеет регулировочную характеристику первого типа, а токи заряда и разряда время45 задающего конденсатора 6 ФоРмиРУются следующим образом. При высоком уровне напряжения на выходе компаратора

5 диод 16 коммутатора 4 тока закрыт и ток Е/К управляемого питающим напря50 жением Е источника 2 протекает через открытый диод 15, а источник 2 подключен непосредственно к конденсатору 6.

Поэтому ток заряда I> последнего

1 В определяющий длительность импульса t„, зависит от разности (E/R)-I .

Во время паузы t q,, когда на выходе компаратора 5 установлен низкий потенциал, диод 16 открывается, что приводит к эапиранию диода 15, а конден= 1 UC/I,; t„= М C/Т р °

Т1 „=Е „ / (t Ä+ - „);

UH =Е(ц+ „)/ „;

Пн Е и/ н где U.l, — напряжение на нагрузке.

В преобразователях, содержащих трансформаторы, аналогичные характеристики отличаются от приведенных постоянным множителем при Е, что не меняет принципиально законов управления временными интервалами t ц и

nâ обеспечивающих стабилизацию выходногс напряжения при возмущениях питающего (входного). Эти законы для трех видов регуляторов, называемых соответственно понижающим, повышающим и инвертирующим, определяются из приведенных регулировочных характеристик соотношениями:

4I 6 (t „ /t „, ) =U„, /(Е-U„); (t н / n<) (Uí -Е) /Е; (t„ /t „)=П„,/Е, "з которые при учете значений t u и характеризующих работу рассматриваемого преобразователя, преобразуются к виду (Ið /I5 ) ои /(E Uí ) 4 (Т, /Т, )-(П„-Е)/Е;

/Тз ) Пн ръ

Токи заряда и разряда времяэадающего конденсатора 6 формируются коммутатором 4 тока из вспомогательного источника 3 постоянного тока, значение которого I, и управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока, значение которого Е/R, где К некоторое эквиналентное сопротивление преобразования напряжения в ток. Анализ последних иэ приведенных соотношений позволяет сделать вывод, что для преобразователей, имеющих первый вид регулироночной характеристики в режиме стабилизации выходного напряжения коммутатор 4 тока должен работать так, чтобы выполнялись равенства Т =Т и I, =(Е/R)-I, для преобразователей второго типа — I

Pg

=1 -(Е/R) и Т =Е/R, а для преобразователей третьего типа — I =I

Рз о и I > =Е/К, Выходное напряжение при

5 выполнении указанных равенств во всех трех случаях равно Т К и не зависит от значений емкости С времязадающего конденсатора 6 и характеристик компаратора 5, ) 52414) сатор 6 разряжается постоянным током Т- . Следовательно, выходное напряжение не зависит от питающего напряжения F,, а также от емкости С конденсатора 6 и параметров компаратора 5.

Силоной блок 1 (фиг.3) преобразователя скомпонован так, что он обладает регулировочной характеристикой второго типа, а коммутатор 4 тока работает

1О следующим образом. В процессе формирования длительности импульса tö и и вследствие наличия высокого потенциала на выходе компаратора 5 открыт ди15 од 16, через который замыкается постоянный ток ?, а диод )5 закрыт.

Поэтому заряд времяэадающего конденсатора 6 происходит током Е/R управляемого питающим напряжением Е источ20 ника 2 тока, непосредственно соединен ного с входом компаратора 5. Переключение компаратора 5 в противоположное состояние приводит к запиранию диода 16 и отпиранию диода )5, через который начинает протекать ток

I . Поэтому разряд конденсатора 6, определяющий длительность паузы tq ocy2. ществляется разностью токов Io-(E/R) и, следовательно, выходное напряжение не зависит от питающего напряжения Е, Преобразователь напряжения (фиг,4)

I им ее т р е гули ров оч ную ха рак те ри с тику третьего типа, а коммутатор 4 тока работает следующим образом. Во время длительности импульса t ны35 сокий уровень напряжения на выходе компаратора 5 приводит к отпиранию диода 18 и запиранию диодов 16 и 17.

При этом ток I вспомогательного источника 3 постоянного тока 3 замыкается через диод 18 и выходную цепь компаратора 5, а ток Е/R управляемого питающим напряжением Е источника 2 тока протекает через диод 15, 45 обусловливает заряд времязадающего конденсатора 6 и определяет длительность импульса t . Низкий уровень напряжения на выходе компаратора 5 приводит к отпиранию диода 16 и запиранию диодов 18 и 15, При этом ток

Е/R эамыкаетсн через выходную цепь компаратора 5, а ток ? замыкается через открывающийся диод 17 и конденсатор 6, разряжая последний. В собтветствии с изложенным выходное напряжение преобразователя остается постоянным при изменениях питающего напряжения E.

Коммутатор 4 тока преобразователя фиг ° 4 может быть выполнен реально с некоторой избыточностью, в виде универсальной схемы, позволяющей формировать токи заряда и раэряда нремяэадающего конденсатора 6, так, чтобы обеспечивались требуемые для стабилизации законы управления для любого из рассмотренных преобразователей. Если разомкнуть цепь, в которую включен диод 17, то работа коммутатора 4 тока аналогична работе преобразователя с регулировочной характеристикой первого типа, а диод 18 находится постоянно в проводящем состоянии, Если при замкнутой цепи диода 17 разомкнуть цепь диода

16, то работа коммутатора 4 тока соответствует преобразователю, представленному на фиг.3, а диод 15 находится постоянно в проводящем состоянии.

С учетом того, что источники 2 и 3 тока, а также компаратор 5 в настоящее нремя легко реализуются методами интегральной технологии, можно рекомендовать блок управления стабилизированного преобраэоватсля фиг.4 в качестве универсального устройства управления стабилизирующих преобразователей, при обеспечении воэможности коммутации цепей диодов 16 и !7.

Таким образом, выполнение компаратора 5 в виде регенеративного узла, имеющего гистереэис передаточной характеристики, и принятое подключение коммутатора 4 тока позволяют упростить стабилизирующий преобразователь

1 за счет исключения отдельного задающего генератора и повысить качество стабилизации выходного напряжения, поскольку устраняется зависимость последнего от значений емкости с времязадающего конденсатора 6 частоты переключения и параметров, характеризующих работу компаратора 5 °

Формула изобретения

1. Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий силовой блок, включенный между ныводами для подключения перничного источника питания и нагрузки, управляемый питающим напряжением источник постоянного тока, один иэ полюсов которого соединен с первым выводом для подключения первичного источника питания, компаратор, выход

1524141

10 которого подключен к управляющему входу силового блока, времязадающий конденсатор, включенный между входным и общим выводами компаратора, коммутатор тока, первый из двух входных выводов которого соединен с другим полюсом управляемого питающим напряжением источника постоянного тока, а первый выходной вывод — с входным выводом компара гора, о т л и10 ч а ю шийся тем, что, с целью уп рощения и повышения качества стабилизации, в него введен вспомогательный источник постоянного тока, компара15 тор выполнен в виде регенеративного узла с гистерезисом передаточной характеристики, а коммутатор тока снабжен вторым выходным выводом, причем вспомогательный источник постоянного

20 тока включен между вторым выводом для подключения первичного источника питания и вторым входным выводом коммутатора тока с обеспечением входного тока последнего, противоположного по направгению входному току от управляемого питающим напряжением источника тока, а второй выходной вывод коммутатора тока соединен с выходным выводом компаратора.

2. Преобразователь по п. I, о т— л и ч а ю шийся тем, что при наличии силового блока в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа коммутатор тока выполнен в виде двух диодов, одноименные электроды которых подключены к первому входному выводу, другой электрод первого диода — к второму входному и первому выходному выводам, а другой электрод второго диода — к второму выходному выводу.

3. Преобразователь по п. I о т— л и ч а ю шийся тем, что при наличии силового блока в. випе импульсного параллельного регулятора напряжения повышающего типа коммутатор тока выполнен в виде двух диодов, одноименные электроды которых подключены к второму входному выводу, другой электрод первого диода — к первому входному и первому выходному выводам а другой электрод второго диода — к второму выходному выводу.

4. Преобразователь по и. I, о т— л и ч а ю шийся тем, что при наличии силового блока в виде импульсного параллельного регулятора напряжения инвертиэирующего типа коммутатор тока выполнен в виде четырех диодов, образующих мост, вход которого подключен к входным выводам, а выход — к выходным выводам.

1524141 а»

С у

Составитель Л,Морозов

Редактор М,Бланар Техред Л.Сердюкова Корректор Э.Лончакова

Заказ 7053/55 Тираж 648 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