Однотактный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора. Преобразователь содержит силовой трансформатор 1, подключенный первичной обмоткой к входным выводам через трансформатор тока 3 и силовой транзистор 4. Силовой транзистор 4 выключается, когда его ток коллектора достигает определенного уровня, задаваемого узлом выключения 11. Сигнал управления узлом выключения 11 формируется в функции выходного напряжения преобразователя с помощью узла сравнения 9. Для выключения силового транзистора используется узел ограничения тока 13, включенный в цепь обмотки положительной обратной связи 1, 5 силового трансформатора 1. Пусковой узел 12, воздействуя на узел ограничения тока 13, обеспечивает ограничение тока силового транзистора и в процессе пуска. 9 з.п. ф-лы. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 М 3/335

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4708967/07 (22) 22,06.89 (46) 30.07.91. Бюл. N. 28 (71) Опытное производственно-техническое предприятие "Уралчерметавтоматика" (72) О.Н.Мельников (53) 621.314,58(088.8) (56) Патент США

М 4276586, кл. Н 02 М 3/335, 1981, Патент США

М 4566060, кл. Н 02 М 3/335, 1986. (54) ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения — повышение КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора, „„Я „„1667207 А1

Преобразователь содержит силовой трансформатор 1, подключенный первичной обмоткой к входным выводам через трансформатор 3 тока и силовой транзистор

4. Силовой транзистор 4 выключается, когда его ток коллектора достигает определенного уровня, задаваемого узлом 11 выключения, Сигнал управления узлом 11 выключения формируется в функции выходного напряжения преобразователя с помощью узла 9 сравнения. Для выключения силового транзистора используется узел 13 ограничения тока, включенный в цепь обмотки 1,5 положительной обратной связи силового трансформатора 1. Пусковой узел

12, воздействуя на узел 13 ограничения тока обеспечивает ограничение тока силового транзистора и в процессе пуска. 9 э,п. ф-лы, 3 ил.

1667207

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания.

Цель изобретения — повышение КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора.

На фиг.1 приведена блок-схема преобразователя; на фиг.2 — схемы блоков преобразователя, пример исполнения; на фиг,3— временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу преобразователя.

Однотактный преобразователь (фиг,1) содержит многообмоточный дроссель (силовой трансформатор) 1. первичная обмотка

1.1 которого с конденсатором 2 образует резонансный контур, подключенный одним выводом к положительному входному выводу преобразователя, а другим через первичную обмотку 3.1 трансформатора 3 тока, связанный с коллектором переключающего транзистора 4. причем эта связь может быть реализована непосредственно или через диод (показан пунктиром). Эмиттер-коллекторный переход транзистора 4 зашунтирован обратно включенным диодом 5, а между базой и эмиттером включен первый резистор 6.

Вторичные обмотки 1,2-1,4 трансформатора (их может быть несколько) соедлнены через выпрямители 7 с емкостными фильтрами 8. С выходной обмоткой 1.4 соединен вход узла 9 сравнения, выполненного с гальванической развязкой выхода. Выход узла 9 соединен непосредственно или через нелинейный элемент 10 (показан пунктиром) с входом управления узла 11 выключения, Пусковой узел 12 включен между входными выводами преобразователя и может быть реализован в виде последовательной цепочки из конденсатора и резистора, включенной между входом и выходом узла запуска, а их общая точка через диод соединена с общим выводом узла, подключенным к отрицательному зажиму.

Выход пускового узла 12 соединен с первым входом 13 узла 14 ограничения тока.

Второй вход узла 14 соединен с промежуточным отводом вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока, а его выход через вспомогательную обмотку 1.5 силового трансформатора 14 — с базой силового транзистора 4, Один крайний вывод вторичной обмотки 3,2 трансформатора 3 тока соединен с силовым входом узла 8 выключения.

Другой вывод обмотки 3.2 и общие выводы узлов 9, 11 и 12 соединены с отрицательным входным выводом преобразователя.

Преобразователь с неуправляемым запуском (фиг,1) используют в случаях, когда

55 нагрузки преобразователя не боятся кратковременного перенапряжения в процессе пуска, а сам преобразователь (его силовой транзистор) имеет достаточный дополнительный запас по напряжению.

На фиг.2 показан управляемый пусковой узел 12, который представляет собой последовательную цепочку иэ первого конденсатора 15, второго резистора 16 и стабилитрона 17. Конденсатор 15 вторым выводом подсоединен к плюсовому выводу, а стабилитрон 17 — к входу 13 узла 14 ограничения тока. Общая точка конденсатора 15 и резистора 16 через обратно включенный диод 18 соединена с общим выводом узла, С общим выводом также соединен эмиттер вспомогательного транзистора 19, коллектор которого подсоединен к общей точке резистора 16 и стабилитрона 17. База-эмиттерный переход транзистора 19 зашунтирован вторым конденсатором 20. База транзистора 19 через третий резистор 21 соединена с входом управления пускового узла 12.

Представленный на фиг.2 узел 14 ограничения тока 14 состоит иэ коммутирующего транзистора 22, включенного по схеме с общей базой, диода 23 в цепи его коллектора, последовательной ЯС-цег очки 24-25, включенной между свободным выводом диода 23 и базой транзистора 22, и диода 26, шунтирующего база-эмиттерный переход транзистора 22 в обратном направлении, причем выходом узла является общая точка коллекторного диода 23 и RC-цепочки 24-25, а управляющим входом — эмиттер транзистора 22, в цепь которого может быть включен резистор, показанный пунктиром.

Входом запуска узла служит отвод от точки соединения резистора 24 и конденсатора 25

RC-цепочки. База транзистора 22 соединена с общим выводом узла 14, Узел 11 выключения (фиг.2): одержит триггер на комплементарных транзисторах

26 и 27 с конденсаторами 28 и 29, включенными между эмиттером и базой транзисторов 26 и 27 соответственно, первый реэистивный делитель 30-31 напряжений, подключенный крайними выводами к силовым выводам триггера. а средним выводом — к базе транзистора 27, Кроме того, к базе транзистора 27 подсоединена последовательная RD-цепочка 32, свободный вывод которой предназначен для подключения указанным образом к выходу узла 9. Силовой вывод транзистора 26 соединен с силовым входом узла. подключаемым к соответствующему крайнему выводу обмотки 3.2. Силовой вывод транзистора 27 соединен с общим выводом узла, подклю1667207 ченным к отрицательному входному эажи- срабатывает, эакорачивая обмотку 3.2, и ток му. базы спадает до нуля. В момент тз после

Узел 9 сравнения, показанный на фиг.2, завершения рассасывания зарядов в базе выполнен по мостовой схеме. плечи которой спадает коллек iîðíûé тох, напряжение ks образованы четвертым резистором 33, 5 коллекторе начинает нарастать. а на базе опорным элементом 34, база-эмиттерным уменьшается, а затем изменяет знак. Ток переходом транзистора 35 и его база-кол- базы реверсируется, обеспечивая форсилекторной цепью с включенным в нее вто- ровку на закрывание транзистора 4, В морым резистивным делителем 36-37. Второй мент 14 напряжение на коллекторе крайний вывод делителя 36-37 и свободный 10 достигает уровня напряжения питания, а на вывод опорного элемента 34 соединены в вторичных обмотках 1.2-1.5 проходит через общий вывод узла сравнения. Средняя точ- нуль и изменяет знак, диоды 7 выпр. митека делителя 36-37 соединена с выходом уэ- лей открываются и начинается заряд конла, а диагональ моста (вывод резистора 33 — денсаторов 8 фильтров спадающим током общий вывод узла) — с входом узла, который 15 (т4-t5). Напряжение на базе в это время напри этом подсоединен к выходу фильтра 8 растает, в момент t5 оно превышает порог л трансформатора 1. В качестве опорного срабатывания, транзистор 4 включается, э емента может быть использован, напри- процесс повторяется цикл эа циклом. При я, и иа мер,стабилитрон. Нафиг.2 представлен ва- этом напряжение на конденсаторах 8 в ри нт выполнения опорного элемента 34 по 20 ходных фильтров на каждом такте увеличисхеме,обеспечивающейкомпаундирование вается и в какой-то момент превышает и уменьшение пульсаций сетевой частоты, напряжение питания (приведенное к втокоторая содержит стабилитрон 38, соеди- ричной обмотке) и приближается к напряжененный с эмиттером транзистора 39, после- нию стабилизации. Так как при Ue x Un т довательн e RD- епь 40, у -цепь 40, подключенную к 25 напряжение на коллекторе спадает до нуля базе транзисто а 39 и и л р, арал ельную RC- и дополнительная подпитка по базе трзнзицепь 41-42, ш нти ю ю б у ру щу база-коллектор- crupa 4 становится ненужной, по сигналу с ный переход транзистора 39. Вместо выхода узла 9 сравнения (появление напрястабилитрона 38 может быть применен све- жений на в о ) на выходе) îткрывается тран:-:, rop тодиод. Свободный вывод стабилитрона ЗО 19 пускового узла 12, ш нти я зап к (светодиода) 38 сл жит вхо м

) служит входом опорного щий ток. При дальнейшем росте выходного элемента, свободный вывод RD-цепи 40 со- напряжения и, яжения и, соответственно, напряже- ия единен с входом и авления л д у р узла 9, а кол- на выходе узла 9 открывается управляющий лектор транзистора 39 — с общим выводом вход узла 11, повышается напряжение на узла 9. Нелинейный элемент 10 при этом 35 базе входного транзистора 27 триггера, что реализуется в наиболее простом варианте понижает его порог б (фиг.2) — на светодио е, ш нти о ог сра атыаания, т.е. ход узла 9. д д, у рующем вы- уменьшает ток выключения транзисто а 4. р

Выходное напряжение стабилиэируетПреобразователь работает следующим ся. образом. 40 Резистор 6, шунтирующий база-змитПри подаче напряжения (фиг.3, момент терный переход транзистора 4, выполняет

to) на коллекторе транзистора 4 появляется функции запирания этого транзистора в слунапряжение(фиг.За, сплошная линия), а на чае срыва гене в генерации, а также ооеспечивает его базе (фиг.Зв) напряжение начинает ли- режим генер жим генерации на холостом ходу. нейно нарастать. Конденсатор 25 узла 14 45 Нелинейный элемент 10, снижающий заряжается от пускового узла 12. В момент усиление по контуру отри ательн б р базе достигает порога от- ной связи канала регулирования, повышает крывания транзистора 4, замыкается петля устойчивос б в сть ра оты на малых нагрузках и положительной обратной связи по цепи ба- в режиме холо жиме холостого хода на грани полного ется. В ег эовой обмотки 1.5 и транзистор 4 открыва- 50 запирания узл 14), и у ла ), предотвращая переход иг.Çв, и ется. его базе возникает импульс тока преобразователя в р в режим генерации пачек (фиг. в, пунктирная линия), определяемый импульсов, который, к торыи увеличивает пульсации перезарядом конденсатора 25 напряжени- выходного напряжения. ем на обмотке 1.5 обратной связи (фиг.Зб).

В и

Схе цепи коллектора и в цепи базы через 55 бавки) в цепи стабилитрона 38 опорного трансформатор 3 тока появляется линейно элемента 34 мента увеличивает опорное напряжен и).В нарастающий ток(фиг.За, в, пунктирные ли- ние узла 9 н узла на величину напряжения íà его нии). момент t2 напряжение на обмотк об отке конденсаторе 42, которое определяется амтрансформатора 3 тока достигает по г рога плитудой и длительностью импульсов базосрабатывания триггера узла 11, последний eîãî а с ого, а следовательно, и коллекторного тока

1667207

25

35

50

55 транзистора 1, При увеличении нагрузки увеличиваются и длительность, и амплитуда импульсов тока, увеличивается напряжение вольтдобавки и соответственно возрастает задание, компенсируя как статизм регулятора, так и падение напряжения в цепях вторичных обмоток 1,2-1.4 и ьпрямителей 7.

Кроме того, так как величина тока зависит и от входного напряжения, схема компаундирования IlQ току нагрузки в опорном элементе 34 оказывается одновременно и элементом отрицательной обратной связи по входному напряжению, что повышает коэффициент стабилизации и уменьшает пульсации сетевой частоты на выходе в два-три раза.

Диод в цепи коллектора транзистора 4 предотвращает появление на коллекторе напряжения обратного знака при реверсе тока (фиг.3а, установившийся режим) и не является обязательным, но его применение целесообразно при большом падении напряжения на шунтирующем диоде 5.

Выполнение узла 12 с управлением выключения позволяет обеспечить мощный запуск, необходимый при пуске преобразователя с полной нагрузкой, без возникновения перерегулирования, опасного как для приемников напряжения, так и для самого преобразова елм. Пропорциональное управление током базы обеспечивает уменьшение потерь и своевременное включение транзистора 4 (в момент реверса тока в контуре), а в сочетании с узлом 11 выключения по току — ограничение тока во всех режимах, в том числе и при запуске преобразователя, что повышает КПД и надежность преобразователя, Формула изобретения

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения. содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого зашунтирована конденсатором и подключена первым выводом к второму входному выводу преобразователя, а вспомогательная обмотка соединена первым выводом с выходом узла ограничения тока, общий вывод которого соединен с первым входным выводом преобразователя, первый резистор, включенный между базой и эмиттером силового транзистора. пусковой узел, включенный между входными выводами преобразователя, узел сравнения, выход которого связан с управляющим входом узла выключения, при этом каждая вторичная обмотка многообмоточного дросселя через выпрямитель соединена с выходными выводами преобразователя, шунтированными емкостным фильтром, к одним иэ которых подключен вход узла сравнения, отл ичаю щи йся тем,что, с целью повышения КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора, введены первый диод и трансформатор тока, узел ограничения тока выполнен управляемым и соединен первым входом с выходом пускового узла, а вторым входом— с промежуточным отводом вторичной обмотки трансформатора тока, узел выключения выполнен управляемым в функции тока силового транзистора и подключен силовым входом к первому крайнему выводу вторичной обмотки трансформатора тока, второй крайний вывод которой, а также общие выводы узла выключения и пускового узла подключены к первому входному выводу преобразователя, при этом второй вывод вспомогательной обмотки многообмоточного дросселя соединен с базой силового транзистора, второй вывод первичной обмотки многообмоточного дросселя через первичную обмотку трансформатора тока соединен с коллектором силового транэистора. эашунтированного обратно включенным первым диодом.

2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что связь управляющего входа узла выключения с выходом узла сравнения выполнена через нелинейный элемент.

3. Преобразователь по и. 2. о т л и ч а юшийся тем, что в качестве нелинейного элемента использован светодиод, шунтирующий выход узла сравнения.

4, Преобразователь no n. 1, о т л и ч а юшийся тем, что пусковой узел выполнен управляемым и соединен входом управления с выходом узла сравнения.

5. Преобразователь по и. 4, о т л и ч а юшийся тем. что пусковой узел содержит цепочку последовательно соединенных первого конденсатора, второго резистора истабилитрона, второй диод, подсоединенный одним выводом к точке соединения первого вывода первого конденсатора и второго резистора, вспомогательный транзистор, подсоединенный коллектором к общей точке второго резистора и первого вывода стабилитрона, второй конденсатор и третий реэистор, подсоединенные первыми выводами к базе вспомогательного транзистора, при этом вторые выводы второго диодэ, второго конденсатора и эмиттер вспомогательного транзистора соединены с общим выводом пускового узла, вторые выводы первого конденсатора и третьего резистора соединены соответственно с вторым входным выводом преобразователя и входом управления пускового узла, а второй вывод стабилитрона

1667207

Фьа7 с оединен с выходным выводом пускового узла.

6. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что узел ограничения тока содержит коммутирующий транзистор с об- 5 ратным l1o отношению к силовому транзистору типом проводимости, третий диод, шунтирующий база-эмиттерный переход этого транзистора, четвертый диод, соединенный с коллектором транзистора, и по- 10 следовательную RC-цепочку, при этом свободный вывод конденсатора RC-цепочки и база транзистора подключены к общему выводу узла, эмиттер коммутирующего транзистора непосредственно или через до- 15 полнительный резистор подключен к второму входу узла ограничения тока, а средняя точка RC-цепочки — к первому входу этого узла, коллектор коммутирующего транзистора через четвертый диод соединен с ре- 20 зистором RC-цепочки и выходным выводом узла ограничения тока.

7, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что узел выключения содержит триггер на комплементарных транзисторах, 25 первый реэистивный делитель, крайними выводами подключенный к силовым выводам триггера, а средним выводом — к его управляющему входу, и последовательную

RD-цепочку, подключенную одним выводом 30 к этому же управляющему входу, а другим выводом — к управляющему входу узла вы. ключения, один иэ силовых выводов триггера соединен с силовым входом узла, а другой силовой вывод — с общим выводом узла. 35

8, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что узел сравнения содержит мостовую схему, плечи которой образованы четвертым резистором, опорным элементом, база-эмиттерным переходом дополнительного транзистора и его база-коллекторной цепью, в которую включен второй реэистивный делитель, второй крайний вывод которого и свободный вывод опорного элемента соединены с общим выводом узла сравнения, средняя точка второго релистивного делителя— с выходом узла сравнения, а входная диагональ моста — с входом узла сравнения, 9. Преобразователь по и. 8, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения компаундирования и уменьшения пульсаций сетевой частоты, опорный элемент узла сравнения содержит стабилитрон и усилительный транзистор. к базе которого подключена последовательная RD-цепь, а база-коллекторный переход зашунтирован параллельной RC-цепочкой, один вывод стабилитрона соединен с эмиттером усилительного транзистора, а другой — с входным выводом опорного элемента, коллектор усилительного транзистора соединен с общим выводом узла сравнения, предназначенным для подключения к первому крайнему выводу вторичной обмотки трансформатора тока

10. Преобразователь по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в цепь коллектора силового транзистора включен согласно-последовательно блокирующий диод.

1667207

Составитель В,Моин

Техред M.Моргентал Корректор Н.Король

Редактор А.Огар

Заказ 2531 Тираж 387 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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