Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение качества выходного напряжения путем повышения его стабильности . Силовые транзисторы 18, 20 полумостового инвертора 17 управляются током, проходящим по цепям питания второго 7 и третьего 8 операционных усилителей , выполняющих соответственно функции промежуточного усилителя и модулятора ширины импульсов. На входе третьего операционного усилителя 8 сравниваются напряжения на конденсаторе интегрирующей RC-цепочки З и на двуханоднрм стабилитроне 5 с учетом делителя напряжения, образованного восьмым резистором 16 и седьмым резистором 15. В результате такого, сравнения переключение третьего операционного усилителя 8 происходит со сдвигом по фазе относительно первого операционного усиУ Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 М 7/538

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781731/07 (22) 12.01.90 (46) 23,04.92, Бюл. гв 15 (71) Н ауч но-исследова тел ьс кий институт

"Квант" (72) В,Н.Скачко (53) 621.314.58(088.8) . (56) Заявка Японии

М 54-32644, кл. G 05 F 1/64, 1981.

Авторское свидетельство СССР

R 957379, кл. Н 02 М 3/335, 1980.

Авторское свидетельство СССР

N. 1536362, кл. G 05 F 1/46, 1987. (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобрете„„5U(„) 1728950 А1 ния — повышение качества выходного напряжения путем повышения его стабильности. Силовые транзисторы 18, 20 полумостового инвертора 17 управляются током, проходящим по цепям питания второго 7 и третьего 8 операционных усилителей, выполняющих соответственно функции промежуточного усилителя и модулятора ширины импульсов, На входе третьего операционного усилителя 8 сравниваются напряжения на конденсаторе интегрирующей

RC-цепочки 3 и на двуханодном стабилитроне 5 с учетом делителя напряжения, образованного восьмым резистором 16 и седьмым резистором 15, В результате такого, сравнения переключение третьего операционного усилителя 8 происходит со сдвигом по фазе относительно первого операционного уси1728950 лителя 2, входящего в задающий генератор

1. Поэтому длительность открытого состояния каждого блокирующего транзистора 19, 21 и соответственно закрытого состояния силового транзистора 18, 20 превышает

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, в частности импульсной стабилизацими в процессе преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный или с последующим преобразованием снова в постоянное напряжение иной величины и с гальванической развязкой между входом и

Выходом.

Известна система управления ключевым регулятором двухтактного преобразователя, содержащая три операционных усилителя, первый из которых работает в схеме задающего генератора прямоугольного напряжения мул ьтивибраторного типа.

Устройство обратной связи выходом подключено через резисторы к первым входам второго и третьего операционных усилителей, к которым через диоды подключены также инверсные выходы каскада для получения взаимоинверсных колебаний.

Недостатком системы является то, что управляющие напряжения, подаваемые на транзисторы усилителя мощности, не имеют паузы в течение двух полупериодов. Поэтому при смене слитных полупериодов возможно появление сквозных токов транзисторов усилителя мощности. Кроме того, идентичность длительности смежных импульСов управления транзисторами усилителя мощности не гарантируется, особенно при малых длительностях управляющих импульсов, за счет неизбежного различия параметров операционных усилителей и различной крутизны нарастания и спада пилообразного напряжения.

Известен также транзисторный конвертор, в котором компаратор имеет те же связи с интегрирующей RC-цепью задающего генератора и устройством обратной связи (усилителем рассогласования), один общий для обоих управляющих выходов задающий генератор выполнен асимметричным, а между его выходом и базами транзисторов усилителя мощности установлен делитель частоты.

Недостатком является невысокое значение КПД, так как управляющие базовые длительность полупериода, и на выходе полумостового инвертора 17 формируется прямоугольное напряжение с параметрически изменяющейся по длительности нулевой паузой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. токи транзисторов усилителя мощности формируются из первичной сети и большая мощность рассеивается в токоограничительных резисторах.

5 Наиболее близким к предложенному является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых конденсаторах и двух силовых

10 транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу и реобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа

15 проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора, задающий генератор, 20 выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор этой цепочки с

25 точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового инвертора, а вторичной обмоткой — к выходным выводам преобразователя, и восемь ре30 зисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, причем точка соединения второго и третьего резисто35 ров подключена к выходу задающего генератора.

Недостаток преобразователя заключается в том, что при стабилизации по возмущениям питающей сети коэффициент

40 стабилизации оказывается небольшим (710) из-за изменения крутизны (наклона) кривой нарастания пилообразного напряжения перед пересечением с опорным напряжением. Так как данное пересечение состоится

45 при уменьшившейся крутизне пилообразного напряжения, изменение скважности выходного напряжения производится непропорционально напряжению первичного питания, 1728950

Недостатком прототипа является также ограничение выходной мощности, вследствие того, что базовый ток силовых транзисторов инвертора не может быть больше допустимого для двуханодных стабилитронов.

Кроме того, при предельном низком первичном напряжения питания, близком к срыву стабилизации, возникают сквозные токи обоих силовых транзисторов инвертора, приводящие к излишнему потреблению тока, становится под вопрос надежность, генерируются помехи.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения путем повышения его стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых конденсаторах и двух силовых транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу преобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора, задающий генератор, выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор этой цепочки с точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового инвертора, а вторичной обмоткой — к выходным выводам преобразователя, и восемь резисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, причем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к выходу задающего генератора, промежуточный усилитель и широтно-импульсный модулятор выполнены соответственно на втором и третьем операционных усилителях, питающие выводы соответствующей полярности которых объединены и подключены к базам соответствующих силовых транзисторов, точки соединения первого резистора с вторым и третьего резистора с четвертым подключены к базам соответствующих блокирующих транзисторов и через соответственно пятый и шестой резисторы к выходу третьего one5

15 рационного усилителя, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через двуханодный стэбилитрон с точкой соединения силовых конденсаторов и через балластный резистор с выходом этого усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к точке соединения силовых конденсаторов, а выход соединен через седьмой резистор с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, при этом между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей включен восьмой резистор. Кроме того, для получения постоянного выходного напряжения на выходе между вторичной

20 обмоткой силового трансформатора и выходом преобразователя включены последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, а седьмой резистор выполнен управляемым в виде опторезистора, светоди25 од которого через введенный девятый резистор подключен к выходу введенного узла обратной связи, входом подключенного к выходным выводам преобразователя, а для устранения сквозных токов транзисто30 ров инвертора выход опторезистора шунтирован десятым резистором.

На фиг.1 представлена схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с полумостовым инвертором;

35 на фиг.2- схема для случая выхода на постоянном токе и стабилизации постоянного напряжения непосредственно на нагрузке: на фиг.3 — диаграммы напряжений в характерных точках схемы.

40 Преобразователь содержит задающий генератор 1, состоящий из операционного усилителя 2, интегрирующий RC-цепи 3, узла 4 опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного

45 стабилитронэ 5 и балластного резистора 6, На втором операционном усилителе 7 выполнен промежутОчный усилитель. Широтно-импульсный модулятор 8 выполнен на третьем операционном усилителе. Первый

50 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый

13, шестой 14, седьмой 15 и восьмой 16 резисторы образуют связи между узлами с полумостовым инвертором 17. Инвертор содержит первый силовой транзистор 18 р-п55 р-типа, первый блокирующий транзистор 19 р-п-р-типа, второй силовой транзистор 20 п-р-п-типа, второй блокирующий транзистор 21 и-р-п-типа. Первый 22 и второй 23 силовые конденсаторы, а также трансформатор 24 с первичной 25 и вторичной 26

1728950

10 обмотками вместе с транзисторами 18 и 20 соединены в схему полумостового инвертора.

В задающем генераторе 1 интегрирующая RC-цепочка 3 включена между выходом операционного усилителя 2 и его инвертирующим входом. Узел 4 опорного напряжения входом подключен к выходу операционного усилителоя 2, а выходом — к инвертирующему входу операционного усилителя 2. В инверторе 17 эмиттеры транзисторов 18 и 19 подключены к входному выводу преобразователя положительной полярности, а эмиттеры транзисторов 20 и

21 — к входному выводу преобразователя отрицательной полярности. Базы транзисторов 19 и 21 образуют соответственно первый и второй входы инвертора, а базы транзисторов 18 и 20, соединенные соответственно с коллекторами транзисторов 19 и

20, — третий и четвертый входы инвертора

17. Коллекторы транзисторов 18 и 20 соединены между собой и подключены к первичной обмотке 25 трансформатора 24, второй вывод которой соединен с общей точкой последовательно соединенных силовых конденсаторов 22 и 23, противоположными выводами соединенных с входными выводами преобразователя. Катим шинам питания подключены также последовательно соединенные резисторы 9 — 12, у которых общие точки первого с вторым, второго с третьим и третьего с четвертым подключены соответственно к первому входу инвертора, к выходу задающего генератора 1 и второму входу инвертора 17. К первому и второму входам инвертора через резисторы 13 и 14 соответственно подключен также выход широтно-импульсного модулятора 8. Выход задающего генератора 1 подключен к инвертирующему входу усилителя 7. Выход этого усилителя через резистор 15 подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, которым при использовании операционного усилителя 8 является его неинвертирующий вход. Этот же вход через резистор 16 подключен к выходу источника

4 опорного напряжения. Инвертирующий вход операционного усилителя 2 соединен с выходом интегрирующей RC-цепочки 3, входящей в схему задающего генератора 1.

В описываемом варианте конкретного выполнения цепи питания операционного усилителя 2 подключены к шинам первичного питания, а общая точка узла 4 опорного напряжения и RC-цепочки 3 — к общей точке силовых конденсаторов 22 и 23. Выходом преобразователя является вторичная обмотка 26 трансформатора 24.

В преобразователе по фиг.2 между обмоткой 26 и выходом преобразователя включены выпрямитель 27 и фильтр 28. В стабилизированном преобразователе по фиг.2 к выходным выводам устройства подключен первый вход узла 29 обратной связи, на второй вход которого подается эталонное (опорное) напряжение.

Резистор 15 заменен управляемым опторезистором 30, в котором резистор 15 выполняет роль исполнительного элемента (фотоприемника). Фотодатчиком является светодиод 31, подключенный через девятый резистор 32 к выходу узла 29 обратной связи.

На диаграммах (фиг.3) показаны напряжения: 33 — на выходе задающего генератора 1 относительно общей точки интегрирующей RC-цепочки и узла 4 опорного напряжения (общей точки конденсаторов 22 и 23); 34 — на выходе узла 4 опорного напряжения; 35 — на выходе усилителя 7 (относительно той же точки); 36 — на инвертирующем входе широтно-импульсного модулятора 8; 37- на неинвертирующем входе широтно-импульсного модулятора 8; 38 — на выходе широтно-импульсного модулятора

8; 39 — на выходе инвертора 17 (на вторичной обмотке 26 трансформатора 24); 40— возможный вариант видоизменения напряжения на неиивертирующем входе широтно-импульсного модулятора 8 при преобладании на нем напряжения с выхода инвертирующего усилителя 7 реализуется наиболее вероятно в варианте преобразователя по фиг.2); 41 — на выходе широтноимпульсного модулятора 8 при обработке им сигналов 40 и 36; 42 — на выходе инвертора 17 в случае, если форма напряжения на выходе широтно-импульсного модулятора соответствует диаграмме 41.

Стабилизированный преобразователь работает следующим образом.

При работе задающего генератора 1 (фиг.1), формирующего напряжение 33 прямоугольной формы (фиг.3), одновременно получается и опорное напряжение 34 за счет подключения входа узла 4 опорного напряжения к выходу операционного усилителя 2. Принцип действия задающего генератора, видоизмененного таким образом, не отличается от стандартной схемы, Опорное напряжение 34, функционально используемое в задающем генераторе, одновременно используется для широтноимпульсного модулятора 8. Пилообразное напряжение 36, снимаемое с выхода интегрирующей RC-цепочки 3, стабилизировано и пропорционально опорному, так как после каждого переключения операционного уси1728950

20

30

40 операционного усилителя модулятора 8 45

55 лителя задающего генератора напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 стремится к напряжению, установившемуся с начала полупериода на неинвертирующем входе и достигает его к концу текущего полупериода, вслед за чем производится следующее переключение.

Пилообразное напряжение 36 используется не только для работы задающего генератора 1, но и для действия широтно-импульсного модулятора 8.

Под воздействием выходного напряжения 33 задающего генератора 1 на первый и второй входы полумостового инвертора 17 через резисторы 10 и 11 поочередно открываются транзисторы 19 и 21, которые; открываясь, своими переходами коллектор— эмиттер шунтируют базоэмиттерные переходы транзисторов 18 и 20, в базы которых по третьему и четвертому входам инвертора постоянно (за исключением периодов шунтирования) втекает ток, потребляемый усилителем 7 и широтно-импульсным модулятором 8.

Управление транзисторами 19 и 21 со стороны только задающего генератора 1 позволяет закрывать каждый из силовых транзисторов 18 и 20 так, что в любое время один из этих транзисторов открыт на полную длину полупериода.

Чтобы стабилизировать получаемое переменное напряжение путем дальнейшего регулирования длительности включенного состояния транзисторов 18 и 20 в ходе рабочего для них полупериода используется широтно-импульсный модулятор 8. Через резисторы 15 и 16 на неинвертирующий вход операционного усилителя 8 одновременно поступают инвертированное напряжение 35 задающего генератора 1 и опорное напряжение 34, которое имеет ту же фазу, что и выходное напряжение задающего генератора 1. Сложение обоих напряжений на неинвертирующем входе дает результирующее напряжение 37 той же фазы, что и опорное, но меньшей амплитуды (эпюра 36), или будет образовано напряжение противоположной фазы относительно опорного, т.е. примет фазу напряжения, снимаемого с инвертирующего усилителя 7, в зависимости от соотношения сопротивления резисторов 15 и 16. Как частный случай, возможно получение нуля напряжения, если соотношение величин сопротивлений обоих резисторов будет такое же, как и амплитуд двух напряжений.

Амплитуда прямоугольного напряжения на выходе операционного усилителя 7 определяется величиной напряжения первичного

15 питания, близка к нему и прямо пропорциональна ему. В результате сравнения напряжений 36 и 37 на обоих входах модулятора

8 получается также прямоугольное напряжение, но сдвинутое по фазе вперед (диаграмма 38). Это напряжение через резисторы

13 и 14 попеременно возбуждает ток первого и второго входов инвертора наряду с напряжением задающего генератора, причем благодаря наличию резисторов 9 и 12 открытый транзистор 19 может быть только при отрицательной полуволне прямоугольного напряжения на выходе модулятора 8, а открывает транзистор 21 только положительная полуволна. Сигналы на открывание транзисторов 19 и 21 складываются от задающего генератора и от широтно-импульсного модулятора, причем по логическому ирин ципу ИЛ И. Поэтому каждый из транзисторов 19 и 20 оказывается открытым, а транзисторы 18 и 20 — закрытыми больше, чем на половину полупериода колебаний задающего генератора. В выходном напряжении инвертора 17 образуется пауза (диаграмма 39). когда ток потребления инвертирующего усилителя 7 и широтно-импульсного модулятора 8 будет проходить исключительно по переходам коллекторэмиттер транзисторов 19 и 21. Пауза занимает тем большую часть полупериода, чем меньше прямоугольное напряжение на неинвертирующем входе модулятора 8, если его фаза совпадает с опорным, и далее по мера перехода напряжения на неинвертирующем входе модулятора 8 через нуль— чем больше будет напряжение на инвертирующем входе модулятора 8, если оно примет обратную фазу относительно опорного.

В частном случае нуля напряжения на неинвертирующем входе модулятора 8 каждая пауза будет занимать четверть периода.

Процесс регулирования длительности паузы на изменившейся фазе напряжения неинвертирующего входа модулятора 8 поясняется диаграммами 40 (наложенной на диаграмму 36), 41 и 42, аналогичными диаграммам 37-39. Напряжение на неинвертирующем входе модулятора 8 будет тем меньшим при одинаковой фазе с опорным и тем большим при обратной фазе, чем большим будет напряжение первичной сети, ввиду все нарастающего различия разнофазных напряжений на несоединенных между собой выводах резисторов 15 и 16.

Так как выходное напряжение операционного усилителя 7 находится в прямо и ропорциональной зависимости от уровня напряжения первичного питания, то скважность импульсного двухполярного напряжения на вторичной обмотке 26

1728950

55 трансформатора 24 обретает ту же прямо пропорциональную зависимость от напряжения первичного питания, что обуславливает стабильность вольт-секундной площади полупериодов прямоугольного напряжения, получаемого на выходе инвертора.

Если для потребителя стабильность выходного напряжения вследствие изменения тока нагрузки оказывается недостаточной, реализуется дополнительное регулирование уровня и фазы прямоугольного напряжения на неинвертирующем входе модулятора 8 с помощью узла 29 обратной связи, который сравнивает фактическое выходное напряжение с эталонным и воздействует на светодиод 31 оптрона 30, подключенного через резистор 32 к выходу узла

29. Образующаяся система автоматического регулирования устанавливает такой ток светодиода, который позволил бы достичь необходимое соотношение сопротивлений фоторезистора 15 и резистора 16 для поддержания неизменным выходного напряжения постоянного тока. По мере увеличения тока нагрузки, когда появляется тенденция понижения выходного напряжения, ток светодиода 31 снижается, сопротивление резистора 15 увеличивается, а скважность напряжения обмотки 26 уменьшается.

Уменьшение тока нагрузки, вплоть до перехода на холостой ход, вызывает изменение указанных параметров в обратную сторону.

Имеем, таким образом, как и в прототипе, двухконтурную систему автоматического регулирования, отрабатывающую изменение скважности выходного напряжения инвертора непосредственно по возмущениям напряжения сети первичного питания и дополнительное управления этой скважностью оптроном по цепи обратной связи с выводов нагрузки.

По мере понижения входного напряжения пауза в переменном напряжении на выходе преобразователя уменьшается. Это напряжение принимает прямоугольную форму, и далее возникают сквозные токи через силовые транзисторы инвертора.

Преобразователь приходит к такому состоянию из-за того, что сопротивление резистора 15 оптрона при начавшемся понижении выходного напряжения относительно номинального значения резко увеличивается, стремясь к своей предельной величине. Опорное напряжение прикладывается к неинвертирующему входу операционного усилителя с полной амплитудой, и разность фаз между опорным напряжением и выходом операционного усилителя исчезает.

Чтобы не допустить возникновения сквозных токов в этом предельно динамическоем участке регулирования и исключить их появление при пуске преобразователя, когда выходное напряжение, нарастая, еще не достигло номинального значения, формируется гарантированная пауза путем включения одного резистора параллельно фотоприемнику (резистору 15) оптрона 30.

Формула изобретения

1. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых конденсаторах и двух силовых транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу преобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора, задающий генератор, выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор этой цепочки с точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового инвертора, а вторичной обмоткой связанный с выходными выводами преобразователя, и восемь резисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, причем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к выходу задающего генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения путем повышения его стабильности, промежуточный усилитель и широтно-импульсный модулятор выполнены соответственно на втором и третьем операционных усилителях, питающие выводы соответствующей полярности которых объединены и подключены к базам соответствующих силовых транзисторов, точки соединения первого резистора с вторым и третьего резистора с четвертым подключены к базам соответствующих блокирующих транзисторов и через соответственно пятый и шестой резисторы к выходу третьего операционного усилителя, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через двуханодный стабилитрон с точкой соединения силовых кон13

1728950 денсаторов и через балластный резистор с выходом этого усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к точке соединения силовых конденсаторов, а выход соединен через седьмой резистор с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, при этом между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей включен восьмой резистор.

2, Преобразователь по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что для получения постоянного выходного напряжения связь между вторичной обмоткой силового трансформатора и выходом преобразователя выполнена через последовательно соединенные

5 выпрямитель и фильтр, а седьмой резистор выполнен управляемым в виде опторезистора, светодиод которого через введенный девятый резистор подключен к выходу введенного узла обратной связи, входом

10 подключенного к выходным выводам преобразователя.

3. Преобразователь по п.2, о т л и ч а юшийся тем, что выход опторезистора шунтирован десятым резистором.

1728950

3S Риг, 3

Составитель В, Моин

Редактор О. Юрковецкая Техред М,Моргентал

Корректор М, Шароши

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

Заказ 1413 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 415