Стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и м.б. использовано при проектировании вторичных источников питания. Цель - расширение функциональных возможностей при сохранении эксплуатационных характеристик . Преобразователь содержит блок пуска , подсоединенный к базам транзисторов 5, 6, подключенных к первичной обмотке трансформатора. Регулирующий элемент 10 8 и&ьа. 9 подсоединен входом к выходу блок-а управления 11, связанного с выходными выводами . При подключении первого источника питания постоянного тока к первому входному выводу 14 в процессе преобразования участвуют четыре транзистора 5, 6, 15, 16, а также первичная 2 и первая вторичная 3 обмотки трансформатора 1. Диоды 18, 19, соединенные с концами дополнительной обмотки 25 с отводом, отключают ее от источника питания. Аналогичные процессы происходят при подключении второго источника питания, но с помощью транзисторов 15, 16. При одновременном подключении первого источника питания к первому входному выводу 14, а второго источника - к дополнительному входному выводу 27, происходит первый или второй из описанных процессов преобразования в зависимости от соотношения напряжения первого источника питания и опорного напряжения, в качестве которого может служить напряжение второго источника питания. При этом реализуется резервирование по первичному источнику питания, 5 з,л.ф-лы, 1 ил. Ё С 00 Јь 00 VJ Ч)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51}5 Н 02 M 3/337

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

t fal (21) 4726788/07 (22) 29.05,89 .. (46) 15.10.91. Бюл. N 38 (72) В.И.Хандогин, А,Н.Якушкин и Н.И.Стуковнин (53) 621.314.58 (088.8) (56) Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания

РЭА. — M,: Радио и связь, 1981, с. 38, рис.

3.1.

Севернс Р„Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. — М.;

Энергоатомиздат, 1988, с. 128, рис. 6, 7а. (54) СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и м,б. использовано при проектировании вторичных источников питания. Цель — расширение функциональных возможностей при сохранении эксплуатационных характеристик. Преобразователь содержит блок пуска, подсоединенный к базам транзисторов

5, 6, подключенных к первичной обмотке трансформатора. Регулирующий элемент 10. Ж 1684879A1 подсоединен входом к выходу блока управления 11, связанного с выходными выводами. При подключении первого источника питания постоянного тока к первому входному выводу 14 в процессе преобразования участвуют четыре транзистора 5, 6, 15, 16, а также первичная 2 и первая вторичная 3 обмотки трансформатора 1. Диоды 18, 19, соединенные с концами дополнительной обмотки 25 с отводом, отключают ее от источника питания. Аналогичные процессы происходят при подключении второго источника питания, но с помощью транзисторов 15, 16.

При одновременном подключении первого источника питания к первому входному выводу 14, а второго источника — к дополнительному входному выводу 27, происходит первый или второй из описанных процессов преобразования в зависимости от соотношения напряжения первого источника питания и опорного напряжения, в качестве которого может служить напряжение второго источника питания. При этом реализуется резервирование по первичному источнику питания, 5 з,п.ф-лы, 1 ил.

1684879

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры, в частности для радиоэлектронных устройств бытового назначения.

Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей при сохранении эксплуатационных характеристик.

На чертеже представлена структурная схема стабилизирующего преобразователя напряжения.

Предлагаемый преобразователь содержит трансформатор 1, имеющий первичную обмотку 2 с отводом от середины и две вторичные обмотки 3 и 4, два транзистора 5 и

6, коллекторы которых подключены к концам первичной обмотки 2, выпрямитель с фильтром 7, входом подключенный к обмотке 3. а выходом — к выходным выводам 8 и 9 преобразователя, регулирующий элемент

10, соединенный управляющим входом с выходом блока 11 управлени., подключенным входом к выходным выводам 8 и 9, задающий генератора 12 и дроссель 13, включенный между отводом от середины обмотки 2 и первым входным выводом 14 преобразователя для подключения первого источника питания постоянного тока, причем регулирующий элемент 10 соединен с трансформатором 1, например с обмоткой

4. Кроме того, преобразователь содержит третий 15 и четвертый 16 транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с вторым входным выводом 17 преобразователя, являющимся общим выводом, четыре диода 18-21, второй выпрямитель с фильтром 22, узел 23 запуска и второй дроссель 24, а трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками 25 и 26, одна из которых (обмотка 25) имеет отвод от середины, соединенный первым выводом дросселя 24, второй вывод которого соединен с дополнительным входным выводом 27 преобразователя для подключения второго источника питания постоянного тока, напряжение которого меньше, чем напряжение первого источника напряжения. Концы обмотки 25 через диоды 18 и 19, включенные в прямом направлении относительно напряжения на выводе 27, соединены соответственно с коллектором третьего 15 и четвертого 16 транзисторов, эмиттеры первого

5 и второго 6 транзисторов через третий 20 и четвертый 21 диоды, включенные в прямом направлении относительно напряжения на выводе 14, соединены соответственно с коллектором третьего 15 и четвертого 16 транзисторов, а базы транзисторов 15 и 16 подключены к соответствующим выходам

15

55 задающего генератора 12, причем базы транзисторов 5 и 6 объединены и соединены с выходом узла запуска 23 и через выпрямитель с фильтром 22 подключены к обмотке

26

Регулирующий элемент 10 выполнен в виде регулирующего трансформатора, силовая обмотка 28 которого соединена с обмоткой 4 трансформатора 1, а обмотка 29, распложенная ортогонально силовой обмотке 28, является управляющим входом регулирующего элемента 10. Для упрощения схемы регулирующий элемент 10 может быть выполнен на трансформаторе 1, при этом обмотка 4 располагается ортогонально другим обмоткам трансформатора 1 и является управляющим входом регулирующего элемента 10.

Узел 23 запуска содержит генератор 30. выход которого является выходом узла 23 запуска, и цепочку, состоящую из последовательно соединенных резисторов 31 и стабилитрона 32, включенную между первым

14 и вторым 17 входными выводами преобразователя, причем стабилитрон 32 включен параллельно цепям питания генератора

30.

Генератор 30 выполнен на однопереходном транзисторе 34, причем диод 33 включен между эмиттером транзистора 34 и коллектором транзистора 5.

Кроме того, устройство содержит ключевой элемент 35 и второй блок 36 управления, соединенный первым входом с выводом 14 преобразователя, вторым входом — с выводом 27, а выходом — с управляющим входом ключевого элемента 35, при этом ключевой элемент 35 включен между выводом 27 преобразователя и вторым выводом дросселя 24.

Задающий генератор 12 обеспечивает противофазное отпирающее (или запирающее) напряжение на базах транзисторов 15, 16 и может быть выполнен по любой из известных схем, например по схеме автогенератора с магнитными связями.

Блок 11 управления осуществляет сравнение напряжения на выходных выводах 8 и 9 с опорным напряжением, усиливает сигнал рассогласования, вырабатывает управляющее напряжение на своем выходе и содержит делитель напряжения (выходного), источник опорного напряжения, усилитель сигнала рассогласования.

Блок 36 управления осуществляет сравнение напряжения на входных выводах 14 и

17 с опорным напряжением и в случае, когда напряжение на выводах 14 и 17 меньше опорного, вырабатывает на своем выходе напряжение, открывающее ключевой эле1684879 мент 35. Блок 36 содержит делитель входного напряжения, источник опорного напряжения и компаратор. В качестве опорного напряжения может использоваться напряжение на входном выводе 27. В этом случае источник опорного напряжения в блоке 36 управления представляет собой делитель напряжения, например резистивный.

Выпрямитель с фильтром 22 может содержать элеме ты стабилизации напряжения, На чертеже они представлены резистором и стабилитроном.

Кроме того, регулирующий элемент 10 может быть подключен к вторичной обмотке

4 трансформатора 1 параллельно или последовательно. В данном случае, как показано на чертеже. регулирующий элемент 10, выполненный в виде регулирующего трансформатора с обмотками 28 и 29, подключен к обмотке 4 параллельно.

Стабилизирующий преобразователь напряжения работает следующим образом.

При подаче напряжения 0вх> постоянного тока на входные выводы 14 и 17 задающий генератор 12 вырабатывает противофазное напряжение прямоугольной формы. поступающее на базы транзисторов

15 и 16, которые поочередно находятся в проводящем и непроводящем состояниях.

Одновременно в узле 23 запуска на стабилитроне 32 через резистор 31, подключенный к выводу 14, появляется напряжение, которое поступает на цепи питания генератора 30, выполненного на однопереходном транзисторе 34. Напряжение с выхода генератора 30. а следовательно, с выхода узла

23 запуска поступает на базы транзисторов

5 и 6, которые переходят в проводящее состояние. При этом входное напряжение с выходов 14 и 17 через дроссель 13 и соответственно транзисторы 5, 15 и 6, 16 прикладывается к полуобмоткам обмотки 2 трансформатора 1. На обмотках трансформатора 1 наводится переменное напряжение прямоугольной формы. С обмотки 3 напряжение через выпрямитель с емкостным фильтром 7 поступает в нагрузку, подключаемую к выходным выводам 8 и 9.

Одновременно с обмотки 26 напряжение через выпрямитель с фильтром 22 поступает на базы транзисторов 5 и 6, поддерживая каждый из них в соответствующий полупериод работы задающего генератора 12 и транзисторов 15 и 16 в проводящем состоянии. Кроме того, в соответствующий полупериод работы в проводящем состоянии находятся диоды 20 и 21. При этом диоды 18 и 19 заперты и обмотка 25 отключена от коллекторов транзисторов 15 и 16. Таким образом. в преобразователе реализуется режим работы транзисторов 5 и 6 с отключением по эмиттеру. Наибольший эффект от использования такого режима работы достигается при большом входном напряже5 нии (сотни вольт), например, в источниках вторичного электропитания с бестрансформаторным входом.

После появления напряжения на выходе выпрямителя с фильтром 22, которое по10 ступает на базы транзисторов 5 и 6, через диод 33 находящимися в проводящем состоянии транзисторами 5, 15 и диодом 20 шунтируется конденсатор времязадающей цепи генератора 30. Колебания в генераторе 30

15 прекращаются.

Одновременно блок 11 управления, вход которого подключен к выходным выводам 8 и 9, сравнивает выходное напряжение с опорным, усиливает сигнал рассогласова20 ния и вырабатывает модулированное напряжение (используется. например, широтно-импульсный модулятор), поступающее на управляющий вход регулирующего элемента 10, который в зависимости от это25 го напряжения меняет скважность своей работы (длительность открытого состояния).

При выполнении регулирующего элемента

10 в виде регулирующего трансформатора с силовой обмоткой 28 и управляющей обмот30 кой 29 (обмотка 29 расположена ортогонально силовой обмотке 28) алгоритм работы регулирующего элемента 10 не изменяется, но на его управляющий вход (на обмотку 29) поступает аналоговый сигнал от блока 11

35 управления, т.е. блок 11 работает в непрерывном режиме, Аналоговый сигнал определяет скважность работы регулирующего элемента 10.

При изменении выходного напряжения

40 (при воздействии различных дестабилизирующих факторов, например, изменение входного напряжения, тока нагрузки и т,д.) изменяется сигнал на управляющем входе регулирующего элемента 10, что приводит, 45 например, при увеличении входного напряжения к уменьшению тока через управляющую обмотку 29, а при уменьшении вхо цного напряжения — к увеличению этого

ToKo, Ток, протекающий по обмотке 29, вы50 зывает возникновение поперечной индукции, При отсутствии тока, протекающего через обмотку 29, индукция в магнитопроводе, изменяется от -Вр до +Bp, где (Вр) < Bs где

55 Bs — индукция насыщения магнитопровода регулирующего трансформатора. При появлении тока через обмотку 29 в течение части полупериода индукция в магнитопроводе регулирующего трансформатора постоянна, т.е. регулирующий трансформатор нахо1684879

15

0

О»х — n в1

55 ов сети переменного тока (220 В, 50 Гц) через выпрямитель. а напряжение Uex,g обеспечидится в режиме насыщения. Силовая обмотка 28 имеет малое индуктивное сопротивление и закорачивает (шунтирует) вторичную обмотку 4 трансформатора 1. Тогда на этом этапе напряжение на всех обмотках трансформатора 1 равно нулю, а через дроссель

13 протекает ток, обеспечивающий накопление энергии в дросселе 13, При переключении транзисторов 15, 16,5 и 6 к первичной обмотке 2 прикладывается напряжение, равное сумме напряжений входного на выводе 14 и наведенного на дросселе 13 (за счет противоЭДС), С вторичной обмотки 3 трансформатора 1 напряжение, пропорциональное напряжению, приложенному к обмотке 2, передается через выпрямитель в накопительный элемент — емкостный фильтр 7, и в нагрузку, Напряжение на выходных выводах 8 и 9 где Uex = Uex.1 или Uex = Usx.2 в зависимости от режима работы устройства — напряжения первого и второго источников питания;

Q — скважность работы регулирующего элемента 10 (e частном случае, при использовании регулирующего трансформатора, Q— это отношение времени пребывания магнитопровода регулирующего трансформатора в состоянии насыщения к длительности полупериода работы преобразователя);

vn и = — — коэффициент трансформации;

Wg

wz, чз — число витков соответственно в обмотках 2 и 3.

Стабилизация выходного напряжения

Uesx при воздействии различных дестабилизирующих факторов осуществляется за счет изменения скважности Q работы регулирующего элемента 10 путем изменения подмагничивающего тока через обмотку 29 (когда регулирующий элемент 10 выполнен в виде регулирующего трансформатора) или путем изменения параметров модулированного напряжения (например, коэффициента заполнения при широтно-импульсной модуляции) на выходе блока 11 управления, поступающего на управляющий вход регулирующего элемента 10 (когда регулирующий элемент 10 выполнен, например, в виде транзисторного ключа).

При подаче напряжения Uex.2 постоянного тока на входные выводы 27 и 17 задающий генератор 12 вырабатывает противофазное напряжение прямоугольной формы, поступающее на базы транзистор

15 и 16, которые поочередно находятся в проводящем состоянии. Блок 36 управления сравнивает напряжение на входных выводах 14 и 17 с напряжением на входных выводах 27 и 17. Поскольку напряжение на входном выводе 14, равное нулю, меньше напряжения на выводе 27, блок 36 управления вырабатывает на своем выходе напряжение, открывающее ключевой элемент 35, Входное напряжение с выводов 27 и 17 через дроссель 24 и соответственно транзисторы 15 и 16 и диоды 18 и 19 прикладывается к полуобмоткам обмотки

25 трансформатора 1. на обмотках трансформатора 1 наводится переменное напряжение прямоугольной формы, С обмотки 3 напряжение через выпрямитель с фильтром

7 поступает в нагрузку. При этом диоды 20 и 21 заперты и обмотка 2 отключена от коллекторов транзисторов 15. 16. Таким образом, в преобразователе реализуется двухтактный режим работы со средней точкой первичной обмотки трансформатора.

Режим работы блока 11 управления и регулирующего элемента 10 остается таким же, как описано выше, т.е. осуществляется стабилизация выходного напряжения U»x при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

При подаче одновременно напряжения

Uex,1 и Usx,2 (причем Uex 1> Uex 2) постоянного тока соответственно на входные выводы

14, 17 .. 27, 17 блок 36 управления сравнивает напряжение на входных выводах 14 и

17 с напряжением на входных выводах 27 и

1 7. Поскольку напряжение на входном выводе 14 больше, чем напряжение на выводе 27, блок 36 управления поддерживает ключевой элемент 35 в закрытом состоянии. При этом в схеме преобразователя происходят процессы, аналогичные тем. которые имели место при подаче напряжения Usx 1 на входные выводы 14 и 17. Если напряжение U«,1 становится меньше опорного (например, при нестационарных процессах в первичном источнике питания), то блок 36 управления включает ключевой элемент 35. При этом в схеме преобразователя происходят процессы, аналогичные тем, которые имели место при подаче напряжения U»,г на входные выводы 27 и 17, Таким образом. в устройстве реализуется резервирование по первичному источнику питания. что позволает существенно повысить надежность, если к преобразователю предъявляется требование по обеспечению бесперебойного электропитания нагрузки. В этом случае, например, напряжение Usx 1 поступает от

1684879

45

55 вается резервной батареей постоянного тока (12 В), Возможность подключения стабилизирующего преобразователя напряжения к двум источникам напряжения постоянного тока различной величины, существенно отличающимся друг от друга, без замены трансформатора и других элементов значительно расширяет его функциональные возможности. Причем при подключении к источнику напряжения большой величины (сотни вольт) реализуется режим работы транзисторов преобразователя с откл ючением по змиттеру, Подключение одновременно к двум источникам напряжения позволяет реализовать резервирование по первичному источнику питания, повысить надежность и обеспечить бесперебойное электропитание нагрузки, Формула изобретения

1. Стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку с отводом от середины и две вторичные обмотки, два транзистора, коллекторы которых подключены к концам первичной обмотки трансформатора, выпрямитель с фильтром, входом подключенный к первой вторичной обмотке трансформатора, а выходом — к выходным выводам преобразователя, регулирующий элемент, соединенный управляющим входом с выходом блока управления, подключенным входом к выходным выводам, задающий генератор и дроссель, включенный между отводом от середины первичной обмотки трансформатора и первым входным выводом преобразователя для подключения первого источника питания постоянного тока, причем регулирующий элемент соединен с одной из обмоток трансформатора, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей при сохранении эксплуатационных характеристик, в него введены третий и четвертый транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с вторым входным выводом преобразователя, являющимся общим выводом, четыре диода, второй выпрямитель с фильтром, узел запуска и второй дроссель, а трансформатор снабжен двумя дополнительными обмотками, одна из которых имеет отвод от середины, соединенный через цепь второго дросселя с дополнительным входным выводом преобразователя для подключения второго источника питания постоянного тока, напряжение которого меньше напряжения первого источника пи5

40 тания, при этом концы дополнительной обмотки с отводом от середины через первый и второй диоды, включенные в прямом направлении относительно напряжения на дополнительном входном выводе, соединены соответственно с коллекторами третьего и четвертого транзисторов. соединенными через третий и четвертый диоды, включенные в прямом направлении относительно напряжения на первом входном выводе, с эмиттерами соответственно первого и второго транзисторов, а базы третьего и четвертого транзисторов подключены к соответствующим выходам задающего генератора, причем базы первого и второго транзисторов обьединены и соединены с выходом узла запуска и через второй выпрямитель с фильтром подключены к второй дополнительной обмотке.

2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что в него введены ключевой элемент и второй блок управления, соединенный входом с первым входным выводом преобразователя; а выходом — с управляющим входом введенного ключевого элемента, включенного последовательно в цепь дросселя.

3. Преобразователь по пп, 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что регулирующий элемент выполнен в виде регулирующего трансформатора, силовая обмотка которого соединена с второй вторичной обмоткой трансформатора, а обмотка, расположенная ортогонально силовой обмотке, является управляющим входом регулирующего элемента.

4. Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что регулирующий элемент выполнен на трансформаторе, вторая вторичная обмотка которого расположена ортогонально другим обмоткам и является управляющим входом регулирующего элемента.

5. Преобразователь по пп. 1-4, о т л ич а ю шийся тем, что узел запуска содержит генератор, выход которого является выходо узла запуска, и цепочку, состоящую из пос довательно соединенных резистора и стабилитрона, включенную между первым и вторым входными выводами преобразователя, причем стабилитрон подключен параллельно цепям питания генератора, 6. Преобразователь по и. 5, о т л и ч а юшийся тем, что в него введен пятый диод. а генератор выполнен на однопереходном транзисторе, причем пятый диод включен между эмиттером однопереходного транзистора и коллектором первого трвнэисторв преобразователя.