Ключевой стабилизатор напряжения с повышением выходного напряжения

 

Использование: электропитание радиоаппаратуры и средств связи. Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения надежного функционирования при низком качестве первичного питания. Сущность изобретения: стабилизатор, содержащий входной фильтр 1, накопительный дроссель 2, коммутирующий диод 9, регулирующий элемент 3, управляемый дифусилителем мультивибратор 16, коммутирующие 4 и 7 и ключевые 17 и 20 каскады, умножитель напряжения 11, инвертор 8, вспомогательный источник питания 12, узел задержки 13, фильтрующие 19 и времязадающие 5 RC-элементы для обеспечения надежного функционирования при низком качестве первичного питания, дополнительно содержит блок 14 датчиков состояния мультивибратора, первый и второй стимуляторы 18 и 21, причем входы блока датчиков соединены с мультивибратором 16 коллекторными связями, выходы блока датчиков - с входами стимуляторов, выходы которых соединены с выходами управления мультивибратора. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в устройствах электропитания радиоаппаратуры и средств связи.

Известен ключевой стабилизатор напряжения (КСН) с повышением выходного напряжения, содержащий накопительный дроссель, включенный последовательно в силовую шину, регулирующий элемент (РЭ), включенный параллельно нагрузке, один вывод которого соединен с вторым выводом накопительного дросселя и анода коммутирующего диода, второй вывод РЭ соединен с общей шиной, третий вывод (вход) РЭ - с выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ), выполненного на мультивибраторе и дифференциальном усилителе (ДУ), которым происходит управление мультивибратора и который, в свою очередь, управляется напряжением выходного делителя, подключенного одним выводом к катоду коммутирующего диода и входу выходного фильтра, другим выводом - к общей шине. Рабочая точка ДУ задается с регулируемого источника опорного напряжения (ИОН), питание которого и питание мультивибратора осуществляется с дополнительного источника [1] .

Недостатком известного стабилизатора является большой пусковой ток, недостаточный диапазон входных напряжений, при которых возможен устойчивый запуск, особенно при снижении входного напряжения в схеме стабилизатора повышающего типа с умножением напряжения, недостаточный диапазон выходных стабилизированных напряжений, что снижает надежность в работе стабилизатора напряжения и сужает область применения.

Наиболее близким по технической сущности является КСН, по способу стабилизации выходного напряжения относящийся также к ШИМ с повышением выходного напряжения, содержащий входной фильтр, накопительный дроссель и коммутирующий диод, включенные в силовую шину, РЭ, включенный параллельно нагрузке, умножитель напряжения, входом соединенный с накопительным дросселем, коммутирующим диодом, РЭ и фильтрующим конденсатором, выходом - с гасящим резистором дифференциального усилителя и выходным фильтром, коммутирующий каскад, соединенный с управляющим входом РЭ, узел задержки, входом соединенный со вспомогательным источником питания, выходом - с входом коммутирующего каскада и через инвертор - с времязадающей цепью, выход которой соединен с режимозадающими элементами дифференциального усилителя, осуществляющего управление мультивибратором [2] .

Этот КСН с повышением выходного напряжения удовлетворяет всем требованиям поставленной задачи, но не в полной мере обеспечивается устойчивое функционирование в условиях переходных процессов, происходящих в первичной сети, а именно: происходит срыв автоколебаний управляемого дифусилителем мультивибратора при кратковременном пропадании напряжения первичной сети. При указанных прерываниях в питании оба ключа мультивибратора могут установиться единовременно в состояние "0" или "1".

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения надежного функционирования при низком качестве первичного питания.

Цель достигается тем, что КСН с повышением выходного напряжения, содержащий включенные последовательно входной фильтр, накопительный дроссель и коммутирующий диод, причем вход входного фильтра соединен с входным выводом, РЭ, включенный между точкой соединения накопительного дросселя и коммутирующего диода и общей шиной, фильтрующий конденсатор, включенный между свободным выводом коммутирующего диода и общей шиной, токоограничительный резистор, подключенный одним выводом к точке соединения коммутирующего диода с фильтрующим конденсатором, а другим - к управляющему выводу регулирующего элемента, первый и второй коммутирующие каскады, подключенные к управляющему входу регулирующего элемента, умножитель напряжения, подключенный входными выводами к выходам коммутирующего диода, одним выходным выводом через выходной фильтр, другим - к выводу питания дифференциального усилителя, соединенного обеими входными цепями с силовыми выводами первого и второго ключевых каскадов, двумя выходными выводами - с выводами управления мультивибратора, при этом выход одного из ключей соединен с входом первого коммутирующего каскада, вспомогательный источник питания, подключенный выводами питания к выходу входного фильтра, узел задержки, входом подключенный к выходу вспомогательного источника питания, выходом - к входу второго коммутирующего каскада и входу инвертора, выход которого соединен через времязадающую цепь с управляющими входами первого и второго ключевых каскадов, дополнительно содержит блок датчиков состояния мультивибратора, первый и второй стимуляторы, причем входы блока датчиков соединены с мультивибратором коллекторными связями, выходы блока датчиков соединены с входами стимуляторов, выходы которых соединены с выводами управления мультивибратора.

На фиг. 1 представлена структурная схема КСН с повышением выходного напряжения; на фиг. 2 - вариант выполнения КСН.

Предложенный ключевой стабилизатор содержит входной фильтр 1, накопительный дроссель 2, регулирующий элемент 3, первый коммутирующий каскад 4, времязадающую цепь 5, токоограничительный резистор 6, второй коммутирующий каскад 7, инвертор 8, коммутирующий диод 9, фильтрующий конденсатор 10, умножитель напряжения 11, вспомогательный источник 12, узел задержки 13, блок 14 датчиков состояния мультивибратора, дифференциальный усилитель 15, мультивибратор 16, первый ключевой каскад 17, первый стимулятор 18, выходной фильтр 19, второй ключевой каскад 20, второй стимулятор 21.

Входной фильтр 1, накопительный дроссель 2 и коммутирующий диод 9 включены последовательно, причем вход входного фильтра 1 соединен с входным выводом; регулирующий элемент 3 включен между точкой соединения накопительного дросселя 2 и коммутирующего диода 9 и общей шиной; фильтрующий конденсатор 10 включен между свободным выводом коммутирующего диода 9 и общей шиной; токоограничительный резистор 6 подключен одним выводом к точке соединения коммутирующего диода 9 с фильтрующим конденсатором 10, а другим - к управляющему выводу регулирующего элемента 3; первый и второй коммутирующий каскады 4 и 7 подключены к управляющему входу регулирующего элемента 3; умножитель 11 напряжения подключен входными выводами к выводам коммутирующего диода 9, одним выходным выводом через выходной фильтр 19 - к выходному выводу, другим - к выводу питания дифференциального усилителя 15, соединенного обеими входными цепями с первым и вторым ключевыми каскадами 17 и 20, двумя выходными выводами - с выводами управления мультивибратора 16, выход одного из ключей которого соединен с входом первого коммутирующего каскада 4; вспомогательный источник 12 питания подключен выводами питания к выходу входного фильтра 1; узел 13 задержки входом подключен к выходу вспомогательного источника 12 питания, выходом - к управляющему входу второго коммутирующего каскада 7 и входу инвертора 8, выходом соединенного через времязадающую цепь 5 с управляющими входами первого и второго ключевых каскадов 17 и 20; входы блока 14 датчиков соединены с мультивибратором 16 коллекторными связями, выходы блока 14 датчиков соединены с входами стимуляторов 18 и 21, выходы которых соединены с выводами управления мультивибратора 16.

КСН с повышением выходного напряжения работает следующим образом.

При поступлении на вход фильтра 1 входного напряжения U_вх вспомогательный источник 12 фильтрует напряжение, поступающее для питания узлов 8, 13, 18 и 21. При этом от момента поступления напряжения U_вх до момента установившегося значения напряжений на элементах КСН будет открыт второй коммутирующий каскад 7 сигналом с выхода узла 13 задержки. Открытое состояние каскада 7 удерживает закрытым регулирующий элемент 3 для исключения токовых перегрузок входных элементов КСН и устройств первичного питания при запуске на время вхождения мультивибратора в нормальный автоколебательный режим.

В пределах указанного интервала времени на выходе инвертора 8 будет напряжение логического нуля, на входы каскадов 17 и 20 через времязадающую цепь 5 напряжение не подается, в результате каскады 17 и 20 будут закрыты, обесточивая тем самым управляющие цепи мультивибратора 16, т. е. на время запуска дифференциальный усилитель (ДУ) 15 отключается от мультивибратора 16 по управляющим связям, генерирование мультивибратора 16 идет на низкой частоте с большой скважностью, его импульсы не изменяют закрытое состояние регулирующего элемента 3, а потому выходное напряжение U_вых КСН в данном интервале времени равно U_вх, т. е. производится подготовка мультивибратора 16 к запуску регулирующего элемента 3.

При достижении напряжением на входе узла 13 задержки порогового значения на его выходе формируется напряжение логического нуля, которое не мешает прохождению импульсов мультивибратора 16 через первый коммутирующий каскад 4 на вход регулирующего элемента 3. На выходе инвертора 8 формируется напряжение логической единицы, которое за счет времязадающей цепи 5 открывает ключевые каскады 17 и 20 с задержкой. Таким образом, мультивибратор 16 и регулирующий элемент 3 до момента открытия каскадов 17 и 20 (подключения к ДУ 15 управляющих связей мультивибратора 16) переключаются на низкой частоте с большой скважностью; U_вых с момента начала переключения регулирующего элемента 3 до подключения к ДУ 15 управляющих связей мультивибратора 16 увеличивается пропорционально частоте и скважности переключения.

С момента подключения к ДУ 15 управляющих связей мультивибратора 16 последний переходит в режим автоматического управления с установившейся частотой переключения, значительно превышающей частоту пускового режима, выходное напряжение и ток потребления плавно нарастают до своего установившегося значения.

Дальнейшая работа устройства является обычной для установившегося режима работы КСН со схемой управления на мультивибраторе и ДУ.

Работа введенных узлов 14, 18 и 21 осуществляется следующим образом.

При кратковременных прерываниях напряжения питающей первичной сети оба ключа мультивибратора 16 могут одновременно устанавливаться в состояние "0" или "1", т. е. происходит срыв автоколебаний. Информация, полученная по коллекторным связям мультивибратора, передается на каскады стимуляторов 18 и 21. При нормальной работе ключей мультивибратора 16 на его управляющие входы от стимуляторов 18 и 21 никакое воздействие не оказывается.

При установке обоих ключей мультивибратора 16 одновременно в состояние "1" сигнал с блока 14 датчиков передается на вход стимулятора 18, выходной сигнал которого, воздействуя на соответствующий управляющий вход ключа мультивибратора 16, переводит ключ в состояние "0", далее продолжается обычный автоколебательный процесс.

На установку обоих ключей мультивибратора 16 в состояние "0" одновременно реагирует стимулятор 21, который, воздействуя на управляющий вход другого ключа мультивибратора 16, переводит данный ключ в состояние "1", восстановив тем сам работу мультивибратора 16 (в автоколебательном режиме).

КСН с повышением выходного напряжения может быть выполнен, как представлено на фиг. 2.

Блок 14 датчиков выполнен в виде диодного моста, диоды которого выполняют функции ИЛИ в передаче сигналов с коллекторных связей мультивибратора 16 на входы стимуляторов 18 и 21. Стимулятор 18 выполнен на двух логических элементах НЕ, режимозадающем резисторе на входе первого элемента НЕ, выполняющего роль порогового элемента, токоограничительном резисторе на выходе второго элемента НЕ, формирующего стимулирующий сигнал, и развязывающем диоде. Стимулятор 21 выполнен на пяти режимозадающих резистора и двух транзисторах, первый из которых является исполнительным, передающим стимулирующий сигнал в управляющую цепь ключа мультивибратора 16, второй транзистор регистрирует состояния "0" и "1" ключей мультивибратора 16 и соответственно управляет работой первого транзистора.

Работа дополнительно введенных узлов 14, 18, 21 осуществляется следующим образом.

При нормальной работе мультивибратора 16 на входе стимулятора 18 присутствует "0", передаваемый по коллекторным связям через диоды блока 14 датчиков, соединенные анодами с входом стимулятора 18, на входе стимулятора 21 - "1", передаваемая через диоды блока 14 датчиков, соединенные катодами с входом стимулятора 21.

На выходе стимулятора 18 сигнал имеет нулевой уровень (исполнительный транзистор стимулятора 21 закрыт), следовательно, на управляющие цепи мультивибратора 16 воздействие не оказывается.

При установке обоих ключей мультивибратора 16 в состояние "1" одновременно стимулятор 21 своего состояния не меняет и не воздействует на управляющий вход соответствующего ключа мультивибратора 16, на входе же стимулятора 18 присутствует "1", следовательно, в управляющую цепь соответствующего ключа подается сигнал, переводящий ключ в состояние "0", восстановив таким образом автоколебательный режим мультивибратора.

При установке обоих ключей мультивибратора 16 в состояние "0" одновременно на выходе стимулятора 18 отсутствует сигнал и на управляющий вход соответствующего ключа воздействие не оказывается, исполнительный транзистор стимулятора 21 открывается, соединив управляющий вход ключа с общей шиной, переводя последний в состояние "1". Далее продолжается обычная нормальная работа мультивибратора.

Использование заявляемого КСН с повышением выходного напряжения позволяет обеспечить устойчивость функционирования в условиях переходных процессов, в том числе при кратковременных прерываниях напряжения, происходящих в первичной сети согласно нормам ГОСТ 19705-81, что расширяет область применения устройства.

Экспериментальные исследования заявляемого КСН с повышением выходного напряжения при качестве первичного питания согласно ГОСТ 19705-81 показали, что по сравнению с известными КСН заявляемый за счет введенных узлов в полной мере удовлетворяет требованиям надежной работы в указанных выше условиях. (56) 1. Обмен опытом в радиопромышленности НИИЭИР, Москва, выпуск 7, 1976, с. 71.

2. Авторское свидетельство СССР N 1654802, кл. G 05 F 1/569, 1989.

Формула изобретения

КЛЮЧЕВОЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПОВЫШЕНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий включенные последовательно входной фильтр, накопительный дроссель и коммутирующий диод, причем вход входного фильтра соединен с входным выводом, регулирующий элемент, включенный между точкой соединения накопительного дросселя и коммутирующего диода и общей шиной, фильтрующий конденсатор, включенный между свободным выводом коммутирующего диода и общей шиной, токоограничительный резистор, подключенный одним выводом к точке соединения коммутирующего диода с фильтрующим конденсатором, а другим - к управляющему выводу регулирующего элемента, первый и второй коммутирующие каскады, подключенные к управляющему входу регулирующего элемента, умножитель напряжения, подключенный входными выводами к выводам коммутирующего диода, одним выходным выводом через выходной фильтр соединен с выходным выводом, другим - с выводом питания дифференциального усилителя, соединенного обеими входными цепями с силовыми выводами первого и второго ключевых каскадов, двумя выходными выводами - с выводами управления мультивибратора, при этом выход одного из ключей соединен с входом первого коммутирующего каскада, вспомогательный источник питания, подключенный выводами питания к выходу входного фильтра, узел задержки, входом подключенный к выходу вспомогательного источника питания, выходом - к входам второго коммутирующего каскада и инвертора, выход которого соединен через времязадающую цепь с управляющими входами первого и второго ключевых каскадов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения надежного функционирования при низком качестве первичного питания, в него введены блок датчиков состояния мультивибратора, первый и второй стимуляторы, причем входы блока датчиков соединены с мультивибратором коллекторными связями, выходы - с входами стимуляторов, выходы которых соединены с выводами управления мультивибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10