Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

 

Использование: во вторичных источниках питания, работающих от сети постоянного тока с резкоменяющимся напряжением, например от выпрямленной промышленной сети переменного тока , и может быть использовано в ав томатике, телемеханике и средствах вычислительной техники в качестве преобразователя вторичного источника питания.. Сущность изобретения: устройство содержит силовой транзисторный ключ 1, запирающий транзистор 5, цепь отоицательной обратной связи 22, силовой трансформатор 9, параллельно включенные диод 13 и конденсатор 14 - с первым выводом обмотки положительной обратной связи этого трансформатора . Введены вспомогательный выпрямитель 4 и емкостной накопитель 6. Выполнение компаратора напряжения(3)совмещенным с триггером обеспечивает надежное запирание силового транзисторного ключа и повышают быстродействие. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л

09) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН 51) Н 02 И 3/335

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4826409/07 (22) 06.04 .90 (46) 23,05.92.Бюл. N 19 (71) Производственное объединение

"Телемеханика" (72) В.В.Афанасенко, Ф.Ф.Котчеико и А.М.Аксенов (53) 621.314 ° 57(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

- М 1245691, кл. Н 02 И 3/335, 1985, Р.Бошерт. Обратные преобразователи - решение проблемы созлания дешевых бестрансформаторных источников питания, Электроника, 1978„ 8 26, с.43-51. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Использование: во вторичных источниках питания, работающих от сети постоянного тока. с резкоменяющимся

Изобретение отнбсится к электротехнике, в частности к преобразователям напряжения вторичных источников питания, работающих от сети постоянного тока с резко меняющимся напряжением, например от выпрямленной промышленной сети переменного тока, и может быть использовано в автоматике телемеханике и средствах вычислительной техники в качестве преобразователя напряжения вторичного источника питания.

Известен преобразователь напряже" ния, содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор, у

2 напряжением, например от выпрямлен" ной промышленной сети переменного .тока, и может быть использовано в ав . томатике, телемеханике и средствах вычислительной техники в качестве преобразователя вторичного источника питания.. Сущность изобретения: устройство содержит силовой транзисторный ключ 1, запирающий транзистор 5, цепь отрицательной обратной связи 22, силовой трансформатор 9, параллельно включенные диод 13 и конденсатор 14 с первым выводом обмотки положительной обратной связи этого трансформатора. Введены вспомогательный выпрями-, тель 4 и емкостной накопитель 6. Выполнение компаратора напряжения(3) сов- е .. мещенным с триггером обеспечивает на- уд дежное запирание силового транзистор- У Р ного ключа и повышают быстродействие. С

1 з.п.ф-лы, 2 ил. которого первичная обмотка подключена между коллектором силового транзисторного ключа и потенциальным выводом выпрямителя сетевого напряжения, обмотка положительной обратной связи соединена первым выводом через дроссель с базой силового транзисторного ключа, а вторым выводом через последовательно соединенные резистор и конденсатор, зашунтированный двумя диодами, - с эмиттером силового транзисторного ключа, вторичная обмотка. через выпрямитель, емкостной накопитель и сглаживающий

Фильтр соединена с цепью нагрузки, датчик тока и тиристор, являющийся одновременно компаратором напряжения и элементом принудительного запирания силового транзисторного ключа последнее совместно с накопительным конденсатором.

Недостатками такого преобразователя являются изменение порога срабатывания компаратора напряжения, выполненного на тиристоре, при изменении условий окружающей среды; ограниченность частотного диапазона преобразователя ввиду необходимости применения высокочастотного тиристора; необходимость первичного запуска от сети и последующее его влияние на работу преобразователя.

Известен преобразователь напряжения,содержаший накопительный трансI форматор, силовой транзистор, пуско-» вой узел, выпрямительные диоды и сглаживающие конденсаторы цепей нагру зок, времязадающий конденсатор. первый и второй резисторы, накопительный конденсатор, запирающий транзистор, хомпаратор, выполненнь:й по схеме транзисторного аналога однопереходного транзистора, согласующий блок, вспомогательный выпрямитель» первый и. второй источники опорного напряжения, первый и второй управляющие транзисторы, измерительный конденсатор. При этом в трансформаторе наряду с первичной, базовой и нагрузочной обмотками имеются управляющие и измерительные обмотки.

Основным недостатком данного преобразователя является его относительная сложность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь напряжения, содержа.щйй силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор с немагнитным зазором в магнитопроводе, первичная обмотка которого одним выводом соединена с источником питания, а другим - с коллектором силового транзисторного ключа, эмиттер которого соединен через резисторный датчик тока с общей шиной, а через резистор " с транзисторным компаратором напряжения, выход которого подключеи между общей шиной и базой силового транзисторного ключа, с которой сое" динен также через параллельно включенные диод и конденсатор первый вы« вод обмотки положительной обратной связи накопительного силового транс3598О ф форматора, второй вывод которой,соеди; нен с общей шиной.

Недостатками известного преобразо- вателя напряжения являются: относи- тельно большое время запирания силового транзисторного ключа, так как транзисторный компаратор по входу управляется током эмиттера силового транзисторного ключа, запирание которого приводит также к закрыванию компаратора, т.е. к взаимозависимости; при относительно больших. токах в первичной обмотке накопительного сило-! вого трансформатора и высоких напря-= жениях. уменьшается надежность работы преобразователя из-за затруднений обеспечения требуемых условий запирания силового транзисторного ключа.

Целью изобретения является обеспеl

t0

Ю чение условий надежного запирания

; силового транзисторного ключа и повышение его быстродействия, а также уменьшение динамических потерь.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного нап- ряжения в постоянное дополнительно введены вспомогательные выпрямитель и емкостной накопитель, а компаратор напряжения выполнен совмещенным с триггером, при этом компаратор напряжения соединен выходом с управляющим входом запирающего транзистора, а выводом питания - c вспомогательным емкостным накопителем, который через

35 последовательно соединенные четвертый резистор и вспомогательный выпрямитель подключен к первому выводу обмотки положительной обратной связи накопительного силового трансформатора, Î второй вывод которой подключен к эмиттеру силового транзисторного ключа.

Известное устройство использует принцип кратковременного призакрыва45 ния силового транзисторного ключа и последующее его закрывание за счет регенеративной цепи положительной обратной связи,а это значит. что при различной величине тока, протеМ кающего через силовой транзисторный ключ и первичную обмотку накопи вльного силового трансформатора, электромагнитные процессы будут протекать по разному (по длительности) и поэтому

55 запирание силового транзисторного ключа будет различно. При относитель-. но высоких напряжениях питания возникают условия для вторичного пробоя в силовом транзисторе и как ре1735980 тенциальныи выводом вспомогательного источника питания 23, состоящего, например, из конденсатора 24 и диода

25, подключенного к первому выводу обмотки положительной обратной связи 9 накопительного силового трансформатора 10. При этом база силового транзисторного ключа 1 через резисторы !1 и 26 соединена с потенциальным выводом источника питания 15, а база запирающего транзистора 5 через резистор 27 подключена к точке соединения.эмиттера силового транзисторного ключа 1 и датчика тока 2.

Работает устройство следующим образЬм.

В момент включения источника питания 15 (t на Фиг.2,а) подается напряжение на коллектор силового транзисторного ключа 1 через первичную обмотку 16 накопительного силового трансформатора 10 и на его базучерез резисторы 11 и 26. В этот же момент силовой транзисторный ключ l открывается до насыщения, так как по цепи источник питания 15, первичная обмотка l6 накопительного силового трансформатора lO, переход коллектор-эмиттер силового транзис- . торного ключа 1, датчик тока 2, общая шина, источник питания 16 начинает протекать.

За счет положительной обратной связи по цепи обмотка положительной обратной связи 9 накопительного си" лового трансформатора !О, цепь 12, резистор 11, переход база-эмиттер силового транзисторного ключа 1, обмотка положительной обратной связи 9 также начинает протекать ток, Развива" ется лавинообразный процесс, в результате которого силовой транзисторный ключ 1 полностью открывается (см.фиг.2,б) и через него., первичную обмотку 16 накопительного силового трансформатора 10 и датчик тока 2 протекает линейно возрастающий ток, падение напряжения от которого на датчике тока 2 Формирует пилообразную составляющую сигнала Б - (см. фиг.2,в). Постоянная составляющая сигнала U в это время равна нулю, так как цепь отрицательной обратной связи 22 имеет большое сопротивление, поскольку напряжение на нагруз" ке 18 к окончанию первого импульса равно нуле. Одновременно от обмотки положительной обратной связи 9 че" рез вспомогательный дополнительный зультат - неуправляемость, а иногЛа и выход из строя силового транзистор ного ключа.

Предлагаемый преобразователь ис-.

5 пользует иной принцип, а именно при достижении тока через силовой тран-, зисторный ключ .заданной величины компаратор напряжения формирует сигнал на открывание запирающего транзис- l О тора, который не зависит от тока, протекающего через сиговой транзисторный ключ, и длительность этого сигнала выбирается достаточной для надежного запирания указанного ключа. Это позволяет создать простое и надежное устройство, не чувствительное к изменениям входного напряжения с относительно малыми динамическими потерями .на силовом транзисторном ключе. 20

На Фиг.1 представлена Функциональная схема преобразователя постоянного

° напряжения в постоянное; на Фиг.2временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное содержит силовой транзисторный ключ 1, датчик тока 2, компаратор напряжения 3, выполненный совмещенным с триггером и подключенный входом через резистор 4 к точке соединения эмиттера силового транзисторного ключа 1 и датчика тока 2, выходом. — к базе запирающего транзисто- ра 5, а выводом питания - к дополнительному вспомогательному емкостному 35 накопителю 6, который через последовательно соединенные вспомогательный выпрямитель(диод) 7 и резистор 8 подключен к первому выводу обмотки положительной обратной связи 9 накопи- 4© тельного трансформатора 10, с этим же выводом через последовательно соединенные резистор l! и цепь l2, состоящую из диода 13 и конденсатора 14, соединена база силового транзистор- 45 ного ключа 1, к которой подключен так-. же коллектор запирающего транзистора

5, а коллектор силового транзисторного ключа 1 подключен к источнику пи- " тания 15 через первичную обмотку 16 50 накопительного силового трансформатора 10, вторичная обмотка 17 которого соединена с нагрузкой 18 через выпря" митель 19, емкостной накопитель 26 и сглаживающий фильтр 21, цепь отри- 55 цательной обратной связи 22, подключенную между нагрузкой 18, на которой стабилизируется напряжение, с одной стороны и входом компаратора 3 и по"

7 17 выпрямитель 7 и резистор 8 заряжается вспомогательный дополнительный емкост ной накопитель 6 (см.фиг.3, f ), зачитывающий компаратор напряжения 3.

Величина его емкости 28 выбирается такой, чтобы накопленной энергии было достаточно для поддержания в открытом состоянии запирающего транзистора 5 в

6 течение заданного времени, которое зависит и от резистора 29 емкостного накопителя 6. В момент времени tq (Фиг.2,в), когда величина сигнала

U достигнет величины V порога срабатывания компаратора напряжения 3, последний включается и остается во включенном состоянии до тех пор, пока не снимется с него напряжение питания так как он выполнен совмещенным с триггером, т.е. пока не разрядится дополнительный вспомогательный емкостной накопитель 6 (см.фиг.2,г).

Практически в течение этого времени находится в открытом состоянии запирающий транзистор 5 (см,фиг.2,д), который закорачивает базу силового транзисторного ключа 1 с общей шиной, тем самым запирая его.

Поскольку внутреннее сопротивление открытого запирающего транзистора 5 мало, то процесс запирания силового транзисторного ключа 1 протекает быстро (t< на фиг.2,6) и не зависит от сигнала на датчике тока 2.

В момент времени t закрывания силового транзисторного ключа 1 в первичной обмотке 1б накопительного силового трансформатора 10 возникает ЗДС самоиндукции Б k (см.фиг.2,6), вызывающая протекание тока по цепи первый вывод вторичной обмотки 17, выаря митель. 19, емкостной накопитель 20, второй вывод вторичной обмотки 17, который заряжает емкостной накопитель 20 и питает нагрузку 18 после предварительной фильтрации сглаживающим фильтром 21 (cM.ôèã.2,e). По мере передачи энергии, накопленной в силовом накопительном трансформаторе 10, в цепь вторичной. обмотки 17 напряжение в базовой цепи U силового транзисторного ключа 1 становится менее отрицательным и в момент времени t< (см,фиг,2,ж) оно достигает напряжения„ при котором силовой транзисторный ключ 1 входит в активную зону, но развитию лавинообразного процесса его открывания препятствуют открытое состояние выпрямителя 19 и разряженный конденсатор 28

35980 8 дополни тельного емкостного накопителя

6. В момент времени t создаются условия для лавинообразного процесса открывания силового транзисторного ключа 1 и он полностью открывается (см.фиг.2,6). Интервал времени можно регулировать в некоторых пределах резистором 8, так как он позволяет регулировать ток заряда конденсатора 28 дополнительного емкостного накопителя 6 и. исключать перегрузку

s момент запуска силового транзисторного ключа 1. Далее описанные процессы включения и выключения силового транзисторного ключа 1 и передачи энергии в цепь нагрузки повторяются, По мере заряда емкостного накопителя 20 напряжение на нагрузке уве2О личивается и по достижении заданного значения включается в цепь отрицательной обратной связи 27, которая добавляет в сигнал U постоянную составляющую U (см.фиг.2,в после мо мента с ) такой величины, чтобы длительность открытого состояния силового транзисторного ключа 1 была достаточной для поддержания на нагрузке 18 заданной величины напряжения U (см.

ЗО фиг.2,е) . C увеличением напряжения

U „источника питания 15 (см.фиг.2,а. момент времени с ) увеличивается крутизна наклона пилообразной части напряжения Б (момент времени с — с на фиг.2,6) настолько, что вольт-се35 кундная площадь импульса напряжения остается постоянной. С уменьшением . напряжения Uö источника питания 15 . (см.фиг.2,а„ момент времени t ) наблюдается обратная картина - умень-. — 40 шается крутизна пилообразной части напряжения U (момент времени c pt „ на фиг.2,в), что приводит к увеличению времени открытого состояния силового транзисторного ключа 1 (мо45 мент времени t — t на фиг.2,6) настолько, что вольт-секундная площадь импульса напряжения остается постоянной. Таким образом, автоматически обеспечивается инвариантность

50 выходного напряжения к изменениям напряжения Uz< источника питания 15.

На фиг.l представлено также возможное схемное решение компаратора напряжения 3. Компаратор напряжения у 3. состоит из усилителя, выполненного на двух транзисторах 30 и 31 разного типа проводимости, и транзисторного ключа, выполненного на транзисторе

- 32. Резисторы 33 и 34 обеспечивают

9 17 температурные режимы резисторов 31 и 32 соответственно. При этом базы транзисторов 30 и 31, образующих усилитель, соединены с коллекторами транзисторов противоположной проводимости, образуя транзисторный аналог тиристора, управляющий вход которого . подключен по входу компаратора напряжения а анод -. к базе транзисторного ключа 32, эмиттер которого соединен с выводом питания компаратора напряжения 3, а коллектор - c выводом выхода компаратора напряжения 3 °

Работает схема следующим образом.

При достижении сигнала U< напряжения открывания транзистора 30 он приоткрывается и его коллекторный ток втекает в базу транзистора 31, приоткрывая его, что способствует увеличению базового тока транзистора

30. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого.оба тран зистора полностью открываются и в базу ключевого транзистора 32 втекает ток, открывающий его. Открытый транзисторный ключ 32 открывает запирающий транзистор 5. Величиной резистора 2 можно подобрать необходимый ток для надежного открывания запирающего транзистора 5, а величиной емкости 2О - время, в течение которого надо поддерживать запирающий транзистор 5 в открытом состоянии, чтобы на- дежно закрыть силовой транзисторный ключ

Использование предлагаемого технического решения позволит существенно floBblcHTü надежность Даботы силового транзисторного ключа 1 путем обеспечения условий для надежного его запирания, а также уменьшить динамичес" кие потери посредством более быстрого запирания этого ключа.

Таким образом, общественно-полезный эффект, получаемый от предлагае- мого технического решения, состоит в улучшении технических характеристик преобразователей напряжения.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий силовой транзисторный ключ, у которого эмиттер соединен с общей шиной через резисторный датчик тока и с входом .компаратора напряжения через первый резистор, коллектор соединен с потенциальным выводом источника питания через первичную обмотку накопительного силового трансформатора, вы35980 f0 полненного с немагнитным зазором.в магнитопроводе, база соединена через второй и третий резисторы с потенциальным выводом источника питания и через второй резистор и параллельно включенные диод и конденсатор " с первым выводом обмотки положительной обратной связи этого трансформатора, 10 вторичная обмотка которого через последовательно включенные выпрями-: тель, емкостной накопитель и сглаживающий фильтр соединена с цепью нагрузки, эапираЮщий транзистор, пере15 ход коллектор-эмиттер которого включен между базой силового транзисторного ключа и общей шиной, цепь отрица. тельной обратной связи, подключенную между клеммами стабилизированного выхода преобразователя с.одной сторо". ны и входом компаратора напряжения и потенциальным выводом вспомогатель" ного источника постоянного напряжения с другой стороны, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью

25 обеспечения условии надежного запирания силового транзисторного ключа и . повышения его быстродействия, а также уменьшения динамических потерь, в него дополнительно введены вспомога" ЗО тельные выпрямитель и емкостной накопитель, а компаратор напряжения выполнен совмещенным с триггером, при этом компаратор напряжения соединен выходом с управляющим входом запираюЗ щего транзистора, а выводом питанияс вспомогательным емкостным накопителем, который через последовательно соединенные четвертый резистор и вспомогательный выпрямитель подключен к

gg первому выводу обмотки положительной обратной связи накопительного силового трансформатора, второй вывод которой подключен к эмиттеру силового транзисторного ключа.

2. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что компаратор напряжения состоит из усили теля, выполненного на двух транзисторах разного типа проводимости, и трам" д> эисторного ключа, при этом базы транзисторов, образующих усилитель, соединены с коллекторами транзисторов противоположной проводимости, образуя транзисторный аналог тиристора, уа> равляющий вход которого подключен к входу компаратора, а анод - к базе транзисторного ключа, эмиттер которого соединен с выводом питания ком. паратора напряжения, а коллектор " с его выходом.

e)

Жиг.2

Составитель В.Апанасенко

Редактор А.Бер Техред и.дндык Корректор С.Шекиар Заказ 1823 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ CCCP

113035, Иосква, Ж-35, Уаушская наб., д. 4/5

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