Преобразователь напряжения

 

Использование: в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве вторичного источника питания положительной и отрицательной полярности, высоковольтного генератора сигналов прямоугольной и треугольной формы, работающего как в ждущем, так и в автоколебательном режимах. Сущность изобретения: преобразователь напряжения содержит регулирующий транзистор 1, токоограничительный резистор 2, транзистор защиты 5, запирающий транзистор 6, два модулятора 7 и 8, генератор импульсов 9, два разделительных конденсатора 10 и 12, два детектора 11 и 13, операционный усилитель 14, четыре компаратора 17, 32, 34 и 35, элемент И 18, два триггера 19 и 33, три ключа управления 20, 31 и 43, три источника опорного напряжения 21, 27 и 28, конденсатор 23, два генератора тока 36 и 37, усилитель ошибки 41, узел управления модуляторами 45. На вход операционного усилителя 14 могут быть поданы прямоугольные сигналы фиксированной амплитуды с вывода 39 или сигналы пилообразного напряжения с вывода 38, при этом возможно осуществление широтно-импульсной модуляции и получение разнообразных схем использования преобразователя. 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве высоковольтного генератора сигналов прямоугольной и треугольной формы, работающего в ждущем и в автоколебательном режимах.

Известен универсальный высоковольтный стабилизатор напряжения [1] позволяющий осуществить построение линейных источников питания положительной и отрицательной полярности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является универсальный высоковольтный стабилизатор напряжения [2] позволяющий осуществить построение линейных и импульсных источников питания положительной и отрицательной полярности, содержащий соединенные последовательно регулирующий транзистор и токоограничительный резистор, включенные в первую силовую шину, причем коллектор регулирующего транзистора и свободный вывод токоограничительного резистора соединены соответственно с первым выводом для подключения источника питания и с первым выводом для подключения нагрузки, транзистор защиты, коллектор которого подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттером соединенного с базой, а через токоограничительный резистор с эмиттером транзистора защиты, запирающий транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой регулирующего транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, первый и второй модуляторы, первые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, а выходы соответственно через соединенные последовательно первый разделительный конденсатор и первый детектор с базой регулирующего транзистора и через соединенные последовательно второй разделительный конденсатор и второй детектор с базой запирающего транзистора, операционный усилитель, выход которого подключен к второму входу первого модулятора, а неинвертирующий и инвертирующий входы соединены соответственно с выводом для подключения источника опорного напряжения и с выводом для подключения цепи обратной связи, первый компаратор, неинвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а выход с первым входом элемента И, первый триггер, первый вход которого соединен с выходом элемента И, а выход подключен к управляющему входу первого ключа управления, вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, подключенного также к выводу для обеспечения получения напряжения первого источника опорного напряжения, конденсатор, включенный между первым выводом для подключения нагрузки и вторым выводом для подключения нагрузки, через вторую силовую шину соединенным с вторым выводом для подключения источника питания, вывод для подключения источника сигнала "Сброс" и вывод для подключения источника сигнала "Пуск".

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя, позволяющие использовать данный преобразователь напряжения в качестве генератора сигналов прямоугольной и треугольной формы, работающего в ждущем и автоколебательном режимах.

Для этого в предлагаемый преобразователь, напряжения, введены второй и третий источники опорного напряжения, узел управления модуляторами, второй и третий ключи управления, второй, третий и четвертый компараторы, усилитель ошибки, второй триггер и два генератора тока, причем выходы второго и третьего источников опорного напряжения соединены соответственно с выводом для обеспечения получения напряжения второго источника опорного напряжения и с выводом для обеспечения получения напряжения третьего источника опорного напряжения, кроме того выход третьего источника опорного напряжения подключен к второму входу второго модулятора, к инвертирующему входу первого компаратора, к входу второго ключа управления и к неинвертирующему входу второго компаратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, а инвертирующий вход с неинвертирующими входами третьего и четвертого компараторов, с выходами первого и второго генераторов тока и с выводом для обеспечения получения сигнала пилообразного напряжения, выход третьего компаратора подключен к второму входу второго триггера, инверсный выход которого подключен к входу управления второго генератора тока, прямой выход второго триггера соединен с первым управляющим входом второго ключа управления и входом управления первого генератора тока, выход второго ключа управления подключен к выводу для обеспечения получения прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды, а его второй управляющий вход к выходу четвертого компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выводом для подключения источника сигнала управления широтно-импульсной модуляции и с выходом усилителя ошибки, инвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения цепи обратной связи, а неинвертирующий вход к выходу первого источника опорного напряжения и к входу третьего ключа управления, управляющий вход которого соединен с выводом для подключения источника управления запуском преобразователя, а выход с инвертирующим входом третьего компаратора, вход узла управления модуляторами подключен к выходу операционного усилителя, а выход к третьим входам первого и второго модуляторов, выход первого ключа управления соединен с выводом для подключения дополнительного конденсатора для обеспечения получения линейно нарастающего напряжения, вторые входы элемента И и первого триггера подключены соответственно к выводу для подключения источника сигнала "Сброс" и к выводу для подключения источника сигнала "Пуск", а напряжения U₁, U₂, U₃ соответственно первого, второго и третьего источников опорного напряжения выбраны из условия U₁< U₂< U_3. На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя напряжения, на фиг. 2-6 схема включения преобразователя в режимах высоковольтного стабилизатора с развязкой по питанию, генератора высо- ковольтных прямоугольных сигналов в ждущем и автоколебательном режимах, генератора высоковольтного пилообразного напряжения и высоковольтного импульсного преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения, содержащий соединенные последовательно регулирующий транзистор 1 и токоогра- ничительный резистор 2, включенные в первую силовую шину, причем коллектор транзистора 1 и свободный вывод резистора 2 соединены соответственно с первым выводом для подключения источника питания 3 и с первым выводом для подключения нагрузки 4, транзистор защиты 5, коллектор которого подключен к базе транзистора 1, эмиттером соединенного с базой, а через резистор 2 с эмиттером транзистора 5, запирающий транзистор 6, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой транзистора 1 и выводом 4, первый и второй модуляторы 7 и 8, первые входы которых соединены с выходом генератора импульсов 9, а выходы соответственно через соединенные последовательно первый разделительный конденсатор 10 и первый детектор 11 с базой транзистора 1 и через соединенные последовательно второй разделительный конденсатор 12 и второй детектор 13 с базой транзистора 6, операционный усилитель 14, выход которого подключен к второму входу модулятора 7, а неинвертирующий и инвертирующий входы соединены соответственно с выводом для подключения источника опорного напряжения 15 и с выводом для подключения цепи обратной связи 16, первый компаратор 17, неинвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя 14, а выход с первым входом элемента И 18, первый триггер 19, первый вход которого соединен с выходом элемента И 18, а выход подключен к управляющему входу первого ключа управления 20, вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения 21, подключенным также к выводу 22 для обеспечения получения напряжения источника 21, конденсатор 23, включенный между выводом 4 и вторым выводом для подключения нагрузки 24, через вторую силовую шину соединенным с вторым выводом для подключения источника питания, вывод для подключения источника сигнала "Сброс" 25 и вывод для подключения источника сигнала "Пуск" 26, второй и третий источники опорного напряжения 27 и 28, выходы которых соединены соответственно с выводом 29 для обеспечения получения напряжения источника 27 и с выводом 30 для обеспечения получения напряжения источника 28, кроме того вывод 30 подключен к второму входу модулятора 8, к инвертирующему входу компаратора 17, к входу второго ключа управления 31 и к неинвертирующему входу второго компаратора 32, выход которого соединен с первым входом второго триггера 33, а инвертирующий вход с неинвертирующими входами третьего и четвертого компараторов 34 и 35, с выходами первого и второго генераторов тока 36 и 37 и с выводом для обеспечения получения сигнала пилообразного напряжения 38, выход компаратора 34 подключен к второму входу триггера 33, инверсный выход которого подключен к входу управления генератора тока 37, прямой выход триггера 33 соединен с первым управляющим входом ключа 31 и с входом управления генератора тока 36, выход ключа 31 подключен к выводу для обеспечения получения прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды 39, а его второй управляющий вход к выходу компаратора 35, инвертирующий вход которого соединен с выводом для подключения источника сигнала управления широтно-импульсной модуляции 40 и с выходом усилителя ошибки 41, инвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения цепи обратной связи 42, а неинвертирующий вход к выходу источника 21 и к входу третьего ключа управления 43, управляющий вход которого соединен с выводом для подключения источника управления запуском преобразователя 44, а выход с инвертирующим входом компаратора 34, вход узла управления модуляторами 45 подключен к выходу операционного усилителя 14, а выход к третьим входам модуляторов 7 и 8, выход ключа 20 соединен с выводом для подключения дополнительного конденсатора для обеспечения получения линейно нарастающего напряжения 46, вторые входы элемента И 18 и триггера 19 подключены соответственно к выводам 25 и 26, а напряжения U₁, U₂, U₃ соответственно первого 21, второго 27 и третьего 28 источников опорного напряжения выбраны из условия U₁ < U₂ < U₃.

Схема преобразователя напряжения работает следующим образом.

На выходе модуляторов 7 и 8 модулируется амплитудно-модулированный сигнал частотой 1МГц, заданный генератором импульсов 9, и скважностью 2. Амплитуда сигнала на выходе модулятора 7 определяется выходным напряжением операционного усилителя 14, на выходе модулятора 8 присутствует сигнал фиксированной амплитуды. Наличие сигналов на выходе модуляторов 7 и 8 определяется сигналом с выхода схемы управления модуляторами 45. Сигнал модулятора 7 через конденсатор 10 и детектор 11 поступает в базу регулирующего транзистора 1, поддерживая его в открытом состоянии.

Величина базового тока транзистора 1 определяется амплитудой сигнала модулятора 7. Сигнал с модулятора 8 через конденсатор 12 и детектор 13 поступает в базу запирающего транзистора 6, активно запирая транзистор 1, что необходимо для обеспечения импульсного режима работы преобразователя.

Схема подключения преобразователя в режиме высоковольтного ключа показана на фиг.2.

При поступлении сигнала "Пуск" на вывод 26 триггер 19 устанавливается в состояние, разрешающее прохождение напряжения источника 21 опорного напряжения U₁ через ключ управления 20 на вывод 46. Емкость С позволяет формировать на выводе 46 линейно нарастающее напряжение, обеспечивая плавное включение преобразователя. Этот вывод подключается к выводу 15 операционного усилителя 14, вывод 16 которого подключается к цепи обратной связи на резисторах R₁ и R₂, определяющей амплитуду выходного сигнала преобразователя. Операционный усилитель 14 сравнивает напряжение обратной связи с опорным и вырабатывает напряжение питания модулятора 7, управляющего включением транзистора 1, который регулирует выходное напряжение.

Активное запирание транзистора 1 обеспечивается тем, что при уменьшении напряжения на выходе операционного усилителя 14 меньше порогового схема управления модуляторами 45 включает модулятор 8 и выключает модулятор 7. Модулятор 8 включает транзистор 6, который активно запирает транзистор 1. Таким образом, преобразователь выдает высоковольтный сигнал с амплитудой, определяемой коэффициентом обратной связи по напряжению.

Сигнал "Сброс", поступающий на вывод 25 через схему И 18, сбрасывает триггер 19, который в свою очередь отключает ключ 20, на выводе 15 уровень нуля и преобразователь отключается.

В преобразователе предусмотрена возможность формирования высоковольтных прямоугольных сигналов в ждущем (фиг.3) и автоколебательном (фиг.4) режимах и высоковольтного пилообразного напряжения (фиг.5).

Пилообразное напряжение формируется на емкости, подключенной к выводу 38, генераторами тока 36 и 37 за счет их поочередного включения. Амплитуда пилы определяется источником опорного напряжения U₁ 21 и U₃ 28. Пилообразное напряжение отслеживается компараторами 32 и 34. При достижении пилой напряжения U₃ компаратор 32 переключает триггер 33, который отключает генератор вытекающего тока 37 и включает генератор втекающего тока 36. Напряжение на выводе 38 начинает уменьшаться и при достижении напряжения U₁ компаратор 34 переключает триггер 33, отключая генератор 36 и включая генератор 37. Величина втекающего тока генератора 37 задается резистором, подключенным между выводами 30 и 29 выходами источников опорного напряжения U₃ 28 и U₂ 27.

Величина вытекающего тока задается резистором, подключенным между выводом ключа управления 43 источника опорного напряжения U₁ и общей шиной. Температурная независимость источников опорного напряжения гарантирует стабильность данных токов в диапазоне температур.

Ключ управления 43 позволяет осуществлять ждущий режим работы генератора пилообразного напряжения, формируя на инвертирующем входе компаратора 34 напряжения ниже напряжения пилы при подаче на вход управления 44 сигнала низкого уровня.

На выходе ключа управления 31 формируются прямоугольные импульсы с фиксированным значением амплитуды 0 В или U3. При этом можно формировать как широтно-модулированный сигнал, так и сигнал определенной длительности низкого и высокого уровней. При формировании широтно-модулированного сигнала генератор пилы настраивается таким образом, чтобы время разряда было малым по отношению к времени заряда. При разряде на выводе 39 формируется напряжение 0 В при условии, что на вывод 40 подается напряжение больше U₃. При напряжении менее U₃ и его изменении происходит широтно-импульсное регулирование на выводе 39. Регулирование соответствующей скважности на выводе 39 может осуществляться внешними резисторами, при этом на вывод 40 подают напряжение более U₃.

Таким образом, подавая на вход операционного усилителя 14 прямоугольные сигналы фиксированной амплитуды с вывода 39 или сигналы пилообразного напряжения с вывода 38, имея возможность осуществлять широтно-импульсную модуляцию, получать самые разнообразные схемы применения преобразователя.

На фиг.6 приведена схема высоковольтного импульсного преобразователя напряжения, работающего в режиме повышения. При этом обратная связь заводится через вывод 42 на усилитель ошибки 41, который формирует широтно-импульсную модуляцию по выводу 39, которая заводится на вывод 15 операционного усилителя 14.

Возможно также использование преобразователя в качестве импульсного преобразователя напряжения, работающего в режиме понижения.

В случае перегрузки выходной ток преобразователя в первый момент времени ограничивается токоограничительным резистором 2 и транзистором защиты 5, который открывается и перехватывает базовый ток транзистора 1, что вызывает увеличение напряжения на выходе операционного усилителя 14, и как только оно превысит U₃, компаратор 17 через схему И 18 сбрасывает триггер 19, выключая преобразователь.

Таким образом, данный преобразователь позволяет построить разнообразные высоковольтные источники питания с развязкой через емкость между высоковольтной выходной частью и схемой управления, что бывает крайне необходимо при построении вторичных источников питания на случай выхода высоковольтного сильноточного формирователя из строя.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий соединенные последовательно регулирующий транзистор и токоограничительный резистор, включенные в первую силовую шину, причем коллектор регулирующего транзистора и свободный вывод токоограничительного резистора соединены соответственно с первым выводом для подключения источника питания и с первым выводом для подключения нагрузки, транзистор защиты, коллектор которого подключен к базе регулирующего транзистора, эмиттером соединенного с базой, а через токоограничительный резистор с эмиттером транзистора защиты, запирающий транзистор, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой регулирующего транзистора и первым выводом для подключения нагрузки, первый и второй модуляторы, первые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, а выходы соответственно через соединенные последовательно первый разделительный конденсатор и первый детектор с базой регулирующего транзистора и через соединенные последовательно второй разделительный конденсатор и второй детектор с базой запирающего транзистора, операционный усилитель, выход которого подключен к второму входу первого модулятора, а неинвертирующий и инвертирующий входы соединены соответственно с выводом для подключения источника опорного напряжения и с выводом для подключения цепи обратной связи, первый компаратор, неинвертирующий вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а выход с первым входом элемента И, первый триггер, первый вход которого соединен с выходом элемента И, а выход подключен к управляющему входу первого ключа управления, вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, подключенным также к выводу для обеспечения получения напряжения первого источника опорного напряжения, конденсатор, включенный между первым выводом для подключения нагрузки и вторым выводом для подключения нагрузки, через вторую силовую шину соединенным с вторым выводом для подключения источника питания, вывод для подключения источника сигнала "Сброс" и вывод для подключения источника сигнала "Пуск", отличающийся тем, что в него введены второй и третий источники опорного напряжения, узел управления модуляторами, второй и третий ключи управления, второй, третий и четвертый компараторы, усилитель ошибки, второй триггер и два генератора тока, причем выходы второго и третьего источников опорного напряжения соединены соответственно с выводом для обеспечения получения напряжения второго источника опорного напряжения и с выводом для обеспечения получения напряжения третьего источника опорного напряжения, кроме того, выход третьего источника опорного напряжения подключен к второму входу второго модулятора, инвертирующему входу первого компаратора, к входу второго ключа управления и неинвертирующему входу второго компаратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, а инвертирующий вход с неинвертирующими входами третьего и четвертого компараторов, выходами первого и второго генераторов тока и выводом для обеспечения получения сигнала пилообразного напряжения, выход третьего компаратора подключен к второму входу второго триггера, инверсный выход которого подключен к входу управления второго генератора тока, прямой выход второго триггера соединен с первым управляющим входом второго ключа управления и входом управления первого генератора тока, выход второго ключа управления подключен к выводу для обеспечения получения прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды, а его второй управляющий вход к выходу четвертого компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выводом для подключения источника сигнала управления широтно-импульсной модуляции и выходом усиления ошибки, инвертирующий вход которого подключен к выводу для подключения цепи обратной связи, а неинвертирующий вход к выходу первого источника опорного напряжения и входу третьего ключа управления, управляющий вход которого соединен с выводом для подключения источника управления запуском преобразователя, а выход с инвертирующим входом третьего компаратора, вход узла управления модуляторами подключен к выходу операционного усилителя, а выход подключен к третьим входам первого и второго модуляторов, выход первого ключа управления соединен с выводом для подключения дополнительного конденсатора для обеспечения получения линейно нарастающего напряжения, вторые входы элемента И и первого триггера подключены соответственно к выводу для подключения источника сигнала "Сброс" и к выводу для подключения источника сигнала "Пуск", а напряжения U₁, U₂, U₃ соответственно первого, второго и третьего источников опорного напряжения выбраны из условия U₁ < U₂ < U₃.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6