Стабилизирующий конвертор напряжения постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение КПД, улучшение массогабаритных показателей и снижение уровня генерируемых помех. Устройство содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное с выходным трансформатором, а также канальные выпрямители и фильтры. Обратная связь снимается с отдельной вторичной обмотки выходного трансформатора . Стабилизация напряжений на нагрузках осуществляется путем дискретного переключения числа витков первичных обмоток выходного трансформатора управляющими ключами. С помощью регулирующего ключа производится изменение вторичных напряжений на величину, равную половине изменения напряжения при переключении соседних ключей одной секции обмоток. Предусмотрено пропорциональное токовое управление транзисторами преобразователя напряжения и управляющими ключами. 1 з п.ф-лы, 2 ил. (/) С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 02 М 3/335

) ) $ ) 9

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4 (лЭ

0

0 (21) 4785095/07 (22) 22.01,90 ,(46) 30.05.92. Бюл. ¹ 20 (71) Одесский политехнический институт (72) О.И.Великанова, П,В.Миндра, А,И.Найденко и С.Н.Шапарева (53) 621,316.722.1 (088.8) (56) Ромаш Э.М. Высокочастотные транзисторные преобразователи. M.: Радио и связь, 1988, с. 104 †1, рис. 4.11.

Там же, с. 212 — 215, рис. 6.17, 6.18, Вересов Г,П. и др. Стабилизированные источники питания, радиоаппаратуры. М.:

Энергия, 1978, с, 169 — 171, рис. 6 — 31. (54) СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ КОНВЕРТОР

НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения — повышение КПД, улучшение массогабаритных

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника питания, Известен преобразователь напряжения, содержащий транзисторные ключи, силовой трансформатор и насыщающийся трансформатор тока, в котором осуществляется пропорциональное токовое управле-. ние ключами, однако при изменении напряжения первичного питания преобразователя также изменяются вторичные напряжения.. Ы „„1737662 А1 показателей и снижение уровня генерируемых помех. Устройство содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное с выходным трансформатором, а также канальные выпрямители и фильтры, Обратная связь снимается с отдельной вторичной обмотки выходного трансформатора. Стабилизация напряжений на нагрузках осуществляется путем дискретного переключения числа витков первичных обмоток выходного трансформатора управляющими ключами. С помощью регулирующего ключа производится изменение вторичных напряжений на величину, равную половине изменения напряжения при переключении соседних ключей одной секции обмоток.

Предусмотрено пропорциональное токовое управление транзисторами преобразователя напряжения и управляющими ключами. 1 з.п.ф-л ы, 2 ил.

Известен также стабилизированный преобразователь, содержащий основной преобразователь, несколько вспомогательных ячеек и схему управления, причем обмотки основного преобразователя и вспомогательных ячеек соединены последовательно. Устройство осуществляет дискретное управление выходным напряжением путем подключения в работу соответствующего числа вспомогательных ячеек.

Основной недостаток известных преобразователей связан с большим количеством трансформаторов, обмоток и полупровод1737662 никовых элементов, особенно, если требуется большое число независимых напряжений вторичного питания.

Наиболее близким к предлагаемому является конвертор напряжения постоянного тока, содержащий силовой трансформатор, регулирующий ключ, осуществляющий регулирование степени открывания транзисторов, работающих в усилительном режиме, таким образом, что происходит стабилизация выходного напряжения, причем база регулирующего ключа соединена с системой управления, эмиттер подключен к трансформатору, а коллектор — к эмиттерам силовых ключей.

Недостатком этого конвертора является нестабильность работы и невысокая надежность, восприимчивость к помехам, например температурному режиму транзистора.

Цель изобретения — снижение массы, габаритов, стоимости устройства, уровня помех, т,е. улучшение эксплуатационных характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизирующий конвертор напряжения постоянного тока, содержащий транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный по двухтактной схеме и снабженный выходным трансформатором, каждая из и силовых вторичных обмоток которого через последовательно включенные канальные выпрямитель и фильтр соединена с выводами для подключения соответствующей нагрузки, а общая вторичная обмотка обратной связи через последовательно включенные дополнительные выпрямитель и фильтр — с входом узла управления, регулирующий ключ, управляющий вход которого подключен к одному. из выходов узла управления, выводы для подключения первичного источника питания, первый из которых соединен с эмиттерами транзисторов преобразователя напряжения, введены трансформатор тока, вспомогательный выпрямитель, m пар развязывающих диодов, m управляющих ключей, m эмиттерных повторителей и стабилитрон, а каждая из первичныхх обмоток выходного трансформатора преобразователя напряжения выполнена с

m — 1 промежуточными выводами, причем первичные обмотки трансформатора тока включены между коллекторами транзисторов преобразователя напряжения и первыми крайними выводами первичных обмоток

его выходного трансформатора, вторые крайние и одноименные промежуточные выводы которых соединены с вторым выводом для подключения первичного источника

55 питания через соответствующие пары развязывающих диодов и соответствующие управляющие ключи, вход вспомогательного выпрямителя подключен к вторичной цепи трансформатора тока, а выход через параллельно включенные стабилитрон и эмиттерколлекторный переход регулирующего ключа — к питающим входам эмиттерных повторителей, соединенных управляющими входами с соответствующими выходами узла управления, а выходами — с входами управляющих ключей.

Поставленная цель достигается также тем, что узел управления содержит последовательно включенные первый компаратор и первый конъюнктор, выход которого соединен с входом суммирования реверсивного счетчика импульсов, последовательно включенные второй компаратор и второй коньюнктор, выход которого подключен к входу вычитания реверсивного счетчика импульсов, источник опорного напряжения, выходы которого соединены с первыми входами компараторов, объединенные вторые входы которых использованы в качестве входа узла управления, генератор тактовых импульсов, выход которого подкл ючен к соответствующим входам конъюнкторов, первый дешифратор, входы которого соединены с выходами реверсивного счетчика импульсов, а выходы — с соответствующими входами конъюнкторов, второй дешифратор, входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, а выходы использованы в качестве выходов узла управления, предназначенных для управления эмиттерными повторителями, буферный ключ, вход которого соединен с выходом младшего разряда реверсивного счетчика импульсов, а выход использован в качестве выхода узла управления, предназначенного для управления регулирующим ключом.

Существенным отличием является то, что стабилизация вторичных напряжений при изменении напряжения первичного питания происходит вследствие дискретного переключения числа витков первичной обмотки выходного трансформатора ключами с пропорциональным токовым управлением, а также переключением регулирующего ключа, вес в стабилизации вторичных напряжений которого равен половине веса одной секции первичной обмотки выходного трансформатора.

На фиг, 1 изображена принципиальная схема стабилизирующего конвертора напряжения постоянного тока, на фиг. 2 — пример выполнения узла управления.

1737662

Стабилизирующий конвертор напряжения (фиг. 1) содержит выходной трансформатор 1 с двумя первичными обмотками 2 и

3, соединенными каждая отдельно стоковыми обмотками 4 и 5, трансформатора 6 тока, вторичные обмотки 7 и 8 которого соединены со вспомогательным выпрямителем 9.

Токовые обмотки 4 и 5 соединены с токовыми обмотками 10 и 11 насыщающегося токового трансформатора 12, управляющие обмотки которого 13 и 14 подключены к базам транзисторов 15 и 16 преобразователя напряжения соответственно. Эмиттеры этих транзисторов 15 и 16 соединены с первым выводом первичного источника питания, а их коллекторы соединены с токовыми обмотками 10 и 11 соответственно, Управляющие обмотки 13 и 14 другими выводами подключены к общей запускающей цепочке, состоящей из резистора 17, другим выводом соединенного с вторым выводом источника питания и диода 18, соединенного анодом с первым, отрицательным выводом первичного источника питания, Первичные обмотки 2 и 3 выполнены с отводами и образуют каждая основную неизменную часть со стороны соединения с трансформатором

6 и группу одинаковых секций между отводами, число которых равно числу управляющих ключей 19, причем одноименные отводы каждой обмотки 2 и 3 попарно через свои развязывающие диоды 20 подсоединеныы к своему управляющему ключу 19. Каждый управляющий ключ 19 содержит свой транзистор 21, При этом транзисторы имеют общую эмиттерную цепь, подключенную к плюсовому выводу источника питания, Каждый транзистор 21 управляющего ключа 19 соединен базой с эмиттером своего эмиттерного повторителя 22, коллекторы которых соединены с вспомогательным выпрямителем 9, а базы соединены с соответствующими выходами узла 23 управления. С узлом 23 управления также соединен вход регулирующего ключа 24, коллектор которого подключен к второму выводу первичного источника питания, а его эмиттер соединен с плюсом вспомогательного выпрямителя 9. Между коллектором и эмиттером ключа 24 включен стабилитрон

25. Выходной трансформатор 1 содержит, кроме того, любой набор вторичных обмоток 26 со своими канальными выпрямителями 27, их количество и зависит от количества нагрузок, которым необходимо подать стабилизированное напряжение.

Дополнительный выпрямитель 28 соединен с входом узла 23 управления.

Узел управления стабилизирующего конвертора напряжения постоянного тока

20

40

50 точности стабилизации вторичных напряжений. Так, если первичное напряжение мак55

10

35 (фиг, 2) состоит из последовательно соединенных источника 29 опорных напряжений, первого компаратора 30, первого конъюнктора 31 и реверсивного счетчика 32 импульсов, последовательно соединенных второго компаратора 33, второго конъюнктора 34, соединенного с другим входом счетчика 32 импульсов, Вход компаратора 33 соединен с вторым выходом источника 29 опорных напряжений. Выходы счетчика 32 соединены с соответствующими входами дешифратора 35, выходы 36-38 счетчика 32 соединены с входами 39-41 дешифратора

42 соответственно, а вход 43 счетчика 32 соединен через резистор 44 с входом буферного ключа 45, выход которого через ограничивающий резистор 46 соединен с входом регулирующего ключа 24, а эмиттер ключа

45 соединен с общим выводом источника питания. Вторые входы компараторов 30 и

33 соединены с дополнительным выпрямителем 28 вторичного питания, а вторые входы конъюнкторов 31 и 34 соединены с выходами дешифратора 35 соответственно.

Выходы дешифратора 42 через ограничивающие резисторы соединены с входами соответствующих ключей 19.

Устройство работает следующим образом.

Для первоначальногО запуска при подаче напряжения служит запускающая цепочка 17 и 18, которая через управляющие обмотки 13 и 14 осуществляет запуск устройства плавно и независимо от скорости нарастания напряжения питания, Трансформатор 12 осуществляет переключение с пропорциональным токовым управлением транзисторов 15 и 16. В зависимости от величины напряжения первичного питания узел 23 управления включает тот или иной из управляющих ключей 19, чем изменяет количество витков обмоток 2 и 3, а также включает или нет ключ 24, таким образом чтобы напряжение на выходе дополнительного выпрямителя 28 отличалось от заданного в пределах установленного допуска.

Число отводов и число витков в секциях выбрано в зависимости от диапазона изменения первичного напряжения и от требуемой симально, то замкнут крайний левый на фиг, 1 ключ 19, т.е. включено максимальное количество витков обмоток 2 и 3, а ключ 24 разомкнут. Падение напряжения на стабилитроне 25 трансформируется в обмотки 4 и 5 трансформатора 6. Величина трансформированного напряжения равна половине напряжения между соседними отводами. Это состояние соответствует наи1737662

55 меньшему значению вторичных напряжений по отношению к первичному. По мере снижения первичного напряжения выходное напряжение О а дополнительного выпрямителя 28 достигает максимально допустимого значения и узел 23 управления замыкает ключ 24. Падение на обмотках 4 и

5 снижается, напряжение первичного напряжения приводит к переключению на второй ключ 19, т,е. к уменьшению числа витков обмоток 2 и 3 на одну секцию, и одновременно к размыканию ключа 24. Если первичное напряжение продолжает уменьшаться, следует замыкание ключа 24, затем размыкание ключа 24 и отключение еще одной секции переключением на третий ключ 19 и т.д. Наименьшему первичному напряжению соответствует включение последнего правого по фиг. 1 ключа 19, т.е. минимальное число витков в обмотках 2 и 3, а также замыкание ключа 24. При увеличении первичного напряжения сначала замыкается ключ, затем размыкается ключ 24, и переключается на (m — 1)-й ключ, т.е. подсоединяет одну секцию, и т.д. Таким образом, управление вторичным напряжением осуществляется дискретно числом подключаемых секций обмоток 2 и 3, а между переключением секций — ключом 24, вес которого во вторичных напряжениях равен половине веса секции обмоток 2 и 3.

Источник 29 опорных напряжений формирует два напряжения, между которыми должно находиться вторичное напряжение Uzs. Например, если требуется

Uzs = 5В + 5, то напряжение, поступающее на компаратор 30, равно 4,75 B (нижний предел), а на компаратор 33-5,25 В (верхний предел), Если напряжение Ога меньше нижнего предела, компаратор 30 разрешает через элемент 31 поступление импульсов от генератора 47 на сложение счетчика 32, а если выше верхнего, то компаратор 33 через элемент 34 разрешает вычитание счетчика

32 до тех пор, пока Uzs не окажется в середине допуска 5 0,25 В. Тогда импульсы на счетчик 32 не поступают. Дешифратор 35 останавливает счет при крайних значениях состояния счетчика, соответствующих нулю, когда замкнут левый по фиг. 1 ключ 19 и разомкнут ключ 24, и удвоенному значению числа отводов, когда замкнут правый по фиг, 1 ключ 19 и замкнут ключ,24, т.е. в нулевом состоянии счет на вычитание невозможен, а в максимальном — невозможен счет на сложение.

Ключ 45 подключен на младший разряд счетчика 32 и управляет состоянием ключа

24 с каждым изменением состояния счетчи5

40 ка, а дешифратор 42 подключен ко всем остальным разрядам, поэтому подключает ключи 19 через состояние счетчика, Левый по фиг, 1 ключ 19 соединен с выходом дешифратора 42, соответствующим нулевому коду на входе, следующий ключ 19 — со следующим по старшинству выходом и т.д. Таким образом, стабилизация напряжения происходит дискретно с шагом, равным половине веса секции обмоток 2 и 3.

Ключи 15 и 16 могут быть выполнены на мощных транзисторах КТ931, диоды 20—

КД21ЗА, уп равля ющие кл ючи 19 состоят из транзистора 21 — КТ181, эмиттерные повторители 22 выполнены на транзисторах—

КТ644, регулирующий ключ 24 выполнен на транзисторе КТ818. Узел управления состоит из компараторов 30 и 33 — микросхем

К554САЗ, счетчика 32, например микросхемы К155ИЕ6, дешифратора 35 — К155ИД6, а также дешифратора 42, представляющего собой микросхему К155ИД10. Ключ 45 собран на транзисторе КТ644, коньюнкторы

31 и 34 — микросхемы КМ555Л ИЗ, генератор

47 тактовых импульсов собран на микросхеме К155АГЗ.

В предлагаемом конверторе стабилизация напряжения происходит путем дискретного переключения секций обмоток на одном выходном трансформаторе с набором управляющих ключей — это ведет к снижению массы, габаритов, позволяет уменьшить количество используемых элементов, что снижается себестоимость устройства. Конвертор отличается также дополнительным переключением напряжения регулирующим ключом на величину, равную половине переключения одной секции, что эквивалентно удвоению числа секций; пропорциональным токовым управлением управляющими ключами, что снижает потери энергии. При этом непрерывность тока от первичного источника и непрерывность тока в цепях вторичных выпрямителей позволяет применять малогабаритные фильтры, снижает помехи и потери энергии.

Формула изобретения

1. Стабилизирующий конвертор напряжения постоянного тока, содержащий транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный по двухтактной схеме и снабженный выходным трансформатором, каждая из и силовых вторичных обмоток которого через последовательно включенные канальные выпрямитель и фильтр соединена с выводами для подключения соответствующей нагрузки; а общая вторичная обмотка обратной связи через последовательно включенные допол1737662

40

50

55 нительные выпрямитель и фильтр — с входом узла управления, регулирующий ключ, управляющий вход которого подключен к одному из выходов узла управления, выводы для подключения первичного источника питания, первый из которых соединен с эмиттерами транзисторов преобразователя напряжения, отл и ч а ю щи и с ятем, что, с целью повышения КПД, улучшения массогабаритных показателей и снижения уровня генерируемых помех, в него введены трансформатор тока, вспомогательный выпрямитель, m пар развязывающих диодов, m управляющих ключей, m эмиттерных повторителей и стабилитрон, а каждая из первичных обмоток выходного трансформатора преобразователя напряжения выполнена с

m-1 промежуточными выводами, причем первичные обмотки трансформатора тока включены между коллекторами транзисторов преобразователя напряжения и первыми крайними выводами первичных обмоток его выходного трансформатора, вторые крайние и одноименные промежуточные выводы которых соединены с вторым выводом для подключения первичного источника питания через соответствующие пары развязывающих диодов и соответствующие управляющие ключи, вход вспомогательного выпрямителя подключен к вторичной цепи трансформатора тока, а выход через параллельно включенные стабилитрон и эмиттерколлекторный переход регулирующего ключа — к питающим входам эмиттерных повторителей, соединенных управляющими входами с соответствующими выходами узла управления, а выходами — с входами управляющих ключей.

5 2. Конвертор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что узел управления содержит последовательно включенные первый компаратор и.первый конъюнктор, выход которого соединен с входом суммирования реверсив10 ного счетчика импульсов, последовательно включенные второй компаратор и второй конъюнктор, выход которого подключен к входу вычитания реверсивного счетчика импульсов, источник опорного напряжения, 15 выходы которого соединены с первыми входами компараторов, объединенные вторые входы которых использованы в качестве входа узла управления, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к со20 ответствующим входам конъюнкторов, первый дешифратор, входы которого соединены с выходами реверсивного счетчика импульсов, а выходы — с соответствующими входами конъюнкторов, второй

25 дешифратор, входы которого подключены к выходам реверсивного счетчика импульсов, а выходы использованы в качестве выходов узла управления, предназначенных для управления эмиттерными повторителями, бу30 ферный ключ, вход которого соединен с выходом младшего разряда реверсивного счетчика импульсов, а выход использован в качестве выхода узла управления, предназначенного для управления регулирующим

35 ключом. 737662

Составитель М.Шапарова

Техред М.Моргентал Корректор М.Шароши

Редактор Е.Копча

Заказ 1903 Тираж Подписное

8НИИПИ 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