Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

Использование: в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, например аппаратуры дальней связи. Сущность изобретения: стабилизатор содержит двухобмоточный дроссель 2, силовой ключ 6, выполненный в виде двухтактного инвертора на ключевых элементах 7 и 8 и трансформаторе 10, двухполупериодный выпрямитель 12 с емкостным фильтром 15, два пиковых детектора 17, 18, сумматор аналоговых сигналов 19 и блок 20 импульсного управления. Вторичная обмотка дросселя 2 выполнена со средней точкой. Входы пиковых детекторов 17, 18 подключены к полуобмоткам дросселя 2, а выходы - к входам сумматора 19, выходом соединенного с входом блока 20, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых элементов 7, 8. На выходе сумматора получается сигнал, близкий к значению выходного напряжения. Этот сигнал, будучи поданным на вход блока 20, позволяет осуществить регулирование по отклонению выходного напряжения. Устройство отличается высокой стабильностью выходного напряжения и широкими функциональными возможностями. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано при создании вторичных источников электропитания радиоэлектронной аппаратуры, например, аппаратуры дальней связи.

Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий первичный источник (генератор тока) и дроссель, включенный во входную цепь, последовательно с ними включенный силовой ключ, в качестве ключевого элемента которого применен полевой МОП-транзистор, выходной выпрямитель с фильтром и блок частотно-импульсного управления, выход которого подключен к управляющему входу силового ключа, а входы - к выходу выпрямителя с фильтром.

Данное устройство обладает тем недостатком, что в нем нет гальванической развязки входа и выхода.

Известно устройство, содержащее первичный источник (генератор тока) и дроссель, включенный последовательно во входную цепь, силовой ключ, выпрямитель с фильтром (диод и конденсатор), блок импульсного управления (регулятор), выход которого подключен к управляющему входу силового ключа, а входы - к выходу выпрямителя с фильтром, к которому подключен вход нерегулируемого преобразователя напряжения с развязывающим трансформатором, ко вторичной обмотке которого подключен выходной выпрямитель с фильтром.

Такое устройство, обладая гальванической развязкой входных и выходных цепей за счет трансформатора нерегулируемого преобразователя, имеет низкий КПД, обусловленный двухступенчатым преобразованием электрической энергии. Кроме того, такое устройство имеет плохую стабильность выходного напряжения, что обусловлено наличием выходного нестабилизированного преобразователя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и принятым за прототип является импульсный стабилизатор постоянного напряжения [3], содержащий первичный источник, во входной цепи двухобмоточный дроссель и последовательно включенный с ними силовой ключ, представляющий собой двухтактный инвертор с трансформатором, ко вторичной обмотке которого подключен выпрямитель с фильтром (два диода и конденсатор). К управляющим входам силового ключа подключены выходы блока импульсного управления, вход которого подключен к входу импульсного стабилизатора. Двухтактный инвертор, представляющий собой силовой ключ, работает таким образом, что часть периода открыты оба ключевых элемента (открытое состояние силового ключа), а часть периода открыт только один из ключевых элементов (закрытое состояние силового ключа).

Данный импульсный стабилизатор постоянного напряжения обладает гальванической развязкой входа и выхода. Однако, вследствие того, что стабилизация выходного напряжения осуществляется в нем по возмущению входного напряжения, т.е. параметрически, в широком диапазоне внешних воздействий (например, температуры и влажности), в нем возможны изменения параметрических связей и, как следствие, ухудшение стабильности выходного напряжения. Кроме того, в том случае, когда первичный источник является генератором тока, параметрическая стабилизация выходного напряжения по возмущению входного напряжения совершенно неэффективна при изменении мощности (сопротивления) нагрузки.

Целью изобретения является улучшение стабильности выходного напряжения и расширение функциональных возможностей импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Это достигается тем, что в импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий последовательно включенный с первичным источником и дросселем силовой ключ, состоящий из двухтактного инвертора с двумя ключевыми элементами и трансформатора с первичной и вторичной обмотками, двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, подключенный к вторичной обмотке и выполненный в виде двух диодов и конденсатора, блок импульсного управления, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых элементов силового ключа, и вторичную обмотку дросселя, дополнительно введены два пиковых детектора и сумматор аналоговых сигналов, выход которого подключен к входу блока управления. Входы сумматора аналоговых сигналов подключены к выходам пиковых детекторов, входы которых подключены к началу и концу вторичной обмотки дросселя, которая выполнена со средней точкой.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого импульсного стабилизатора постоянного напряжения; на фиг.2 - эпюры напряжений, характеризующие работу предлагаемого устройства; на фиг.3 - эквивалентная схема предлагаемого устройства; на фиг.4 - эпюры напряжений на вторичной обмотке дросселя.

Устройство содержит включенные последовательно с входными выводами 1 дроссель 2, имеющий первичную обмотку 3 и вторичную обмотку 4 со средней точкой 5, и силовой ключ 6, представляющий собой двухтактный инвертор с двумя ключевыми элементами 7 и 8 и трансформатор 9 с первичной и вторичной обмотками 10 и 11.

К вторичной обмотке 11 трансформатора 9 подключен двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром 12, состоящий из двух диодов 13 и 14 и конденсатора 15. К выходу двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром 12 подключены выходные выводы 16, к которым подключается нагрузка. Между началом вторичной обмотки 4 дросселя 2 и ее средней точкой 5, а также между концом вторичной обмотки и ее средней точкой включены два пиковых детектора 17 и 18, выходы которых подключены к входам сумматора 19 аналоговых сигналов, выход которого подключен к входу блока 20 импульсного управления.

Выходы последнего подключены к управляющим входам 21 и 22 ключевых элементов 7 и 8 силового ключа 6, вход 23 которого подключен через первичную обмотку 3 дросселя 2, а вход 24 - непосредственно к входным выводам 1, на которые подается электрическая энергия первичного источника, например, генератора тока.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом. Блок 20 импульсного управления вырабатывает две последовательности управляющих импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 180^о. Длительность каждого из управляющих импульсов такова, что ключевые элементы 7 и 8 силового ключа 6 определенное время находятся в замкнутом состоянии.

Эпюры напряжений, характеризующие работу силового ключа 6, представлены на фиг.2 (21, 22, 23). Силовой ключ 6 замкнут тогда, когда открыты оба ключевых элемента 7 и 8. В это время все напряжение первичного источника приложено к первичной обмотке 3 входного дросселя 2. Силовой ключ 6 разомкнут тогда, когда один из ключевых элементов 7 или 8 находится в разомкнутом состоянии. В этот момент к одному из выпрямительных диодов 13 или 14 приложена пересчитанная через коэффициент трансформации трансформатора 9 сумма напряжений первичного источника и напряжения на первичной обмотке 3 дросселя 2.

При равенстве числа витков первичной и вторичной обмоток 3 и 4 дросселя 2 при замкнутом состоянии силового ключа 6 амплитуда напряжения на вторичной обмотке 4 дросселя 2 будет равна: U₁ = U_вх - U_к где U_вх - напряжение первичного источника на входных выводах 1; U_к - падение напряжения на замкнутом силовом ключе 6.

При разомкнутом состоянии силового ключа 6 абсолютное значение амплитуды напряжения на вторичной обмотке 4 дросселя 2 будет равно: U₂ = U_вых + U_д - U_вх, где U_вых - напряжение на выходных выводах 16, т. е. на нагрузке; U_д - падение напряжения на открытом диоде 13 или 14 двухполупериодного выпрямителя 12.

Пиковый детектор 17, включенный между началом вторичной обмотки 4 и ее средней точкой 5, фиксирует и запоминает амплитуду U₁. Пиковый детектор 18, включенный между концом вторичной обмотки 4 и ее средней точкой 5, фиксирует и запоминает амплитуду U₂. В сумматоре 19 аналоговых сигналов производится операция сложения U₁ и U₂: U = U₁ + U₂ = U_вх - U_к + U_вых + U_д - - U_вх = U_вых + (U_д - U_к) Таким образом, на выходе сумматора 19 получается сигнал, близкий к значению выходного напряжения. Значения U_д и U_к сами по себе малы, а их разность - еще меньше. Следовательно: U = U_вых Будучи поданным на управляющий вход блока 20 импульсного управления, этот сигнал позволяет осуществить регулирование по отклонению выходного напряжения, не подключаясь к выходу устройства.

Таким образом, использование изобретения позволяет улучшить стабильность выходного напряжения импульсного стабилизатора при одновременном расширении его функциональных возможностей.

Формула изобретения

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий дроссель с первичной и вторичной обмотками, силовой ключ, вход которого через первичную обмотку дросселя подключен к входным выводам, причем силовой ключ выполнен в виде двухтактного инвертора с двумя ключевыми элементами и трансформатором с первичной и вторичной обмотками, двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром, входом подключенный к вторичной обмотке трансформатора, а выходом соединенный с выходными выводами, и блок импульсного управления, выходы которого подключены к управляющим входам ключевых элементов силового ключа, отличающийся тем, что в него введены два пиковых детектора и сумматор аналоговых сигналов, а вторичная обмотка дросселя выполнена со средней точкой, причем входы первого и второго пиковых детекторов включены соответственно между началом и средней точкой и между концом и средней точкой вторичной обмотки дросселя, а выходы пиковых детекторов соединены с входами сумматора аналоговых сигналов, выходом подключенного к входу блока импульсного управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4