Преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано в модулях электропитания. Техническим результатом изобретения является существенное увеличение кпд преобразователя при одновременном повышении технологичности производства и уменьшении весогабаритных характеристик. При этом осуществляется близкое к оптимальному управление переключающим транзистором с точки зрения уменьшения потерь энергии при его переключениях путем сужения импульсов управляющей импульсной последовательности при возрастании тока, протекающего через этот транзистор, и наоборот, для чего осуществляют точное измерение этого тока и преобразование его в импульсную последовательность требуемых параметров. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в модулях электропитания.

Известно устройство питания с защитой, описанное в авт. свид. СССР 1104623 по МПК Н 02 М 3/335 за 1984 г., содержащее переключающий транзистор, трансформатор, диодный выпрямитель и фильтр, причем начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами для подключения нагрузки.

Недостатком известного устройства является относительно ненадежный его запуск с помощью запускающего резистора, связывающего своими выводами коллектор и базу переключающего транзистора, и конденсатора, включенного между базой переключающего транзистора и минусовым входным выводом. К величине емкости этого конденсатора предъявляются противоречивые требования с позиций запуска и с позиций режима работы устройства, что приводит к низкому КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является преобразователь постоянного напряжения, описанный в патенте РФ, выданном по заявке 94036047/07 по МПК Н 02 М 3/335 от 28.09.1994 г. по решению ВНИИГПЭ от 16.01.1996 г., содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления (в прототипе - регулирующий транзистор), плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через диодный выпрямитель и фильтр связана с плюсовым и минусовым выходными выводами, при этом первый вход блока управления соединен с плюсовым выходным выводом, а выход блока управления через базовый резистор связан с базой переключающего транзистора.

Недостатком известного преобразователя является использование в его блоке управления в цепи обратной связи второй вторичной обмотки трансформатора, которая, с одной стороны, увеличивает весогабаритные характеристики преобразователя и ухудшает технологичность его изготовления, а, с другой стороны, является относительно грубым элементом управления, что не позволяет существенно повысить КПД преобразователя. Для этого целесообразно при увеличении тока через переключающий транзистор формировать сужение импульсов управления этого транзистора и наоборот.

Целью изобретения является существенное увеличение КПД преобразователя при одновременном повышении технологичности производства и уменьшении весогабаритных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем первый вывод базовою резистора соединен с базой переключающего транзистора, начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр связана соответственно с плюсовым и минусовым выходными выводами, при этом первый вход блока управления соединен с плюсовым выходным выводом, а выход блока управления соединен со вторым выводом базового резистора, кроме того содержит токоизмерительный резистор, причем эмиттер переключающего транзистора связан с минусовым входным выводом через токоизмерительный резистор, выводы которого соответственно являются вторым и третьим входами блока управления, который содержит генератор, два транзистора, семь резисторов и три конденсатора, при этом первый вход блока управления является первым входом управления генератора, выход импульсной последовательности которого является выходом блока управления, второй вход блока управления соединен с общим выводом генератора, первыми выводами первого конденсатора, первого и второго резисторов, третий вход блока управления соединен с первыми выводами второго и третьего конденсаторов, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов и первым выводом задающей RС-цепочки генератора, второй вывод задающей RC-цепочки которого соединен со вторым выводом третьего резистора, коллектором первого транзистора и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, с первым выводом шестого резистора, вторыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора и коллектором второго транзистора, эмипер которого соединен со вторым выводом второго резистора, база второго транзистора соединена со вторыми выводами шестого резистора и третьего конденсатора, эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и вторым входом управления генератора.

Технический результат изобретения состоит в повышении КПД примерно на 10% больше КПД прототипа при одновременном повышении технологичности производства преобразователя и снижении его весогабаритных характеристик. При этом осуществляется близкое к оптимальному управление переключающим транзистором с точки зрения уменьшения потерь энергии при его переключениях путем сужения импульсов управляющей импульсной последовательности при возрастании тока, протекающего через этот транзистор (и наоборот), для чего осуществляют точное измерение этого тока и преобразование его в импульсную последовательность требуемых параметров.

На чертеже представлена блок-схема реализации преобразователя постоянного напряжения.

Преобразователь содержит переключающий транзистор 1, трансформатор 2 с первичной 2.1 и вторичной 2.2 обмотками, выпрямитель 3, фильтр 4, базовый резистор 5, блок 6 управления, плюсовой 7 и минусовой 8 входные выводы, плюсовой 9 и минусовой 10 выходные выводы и токоизмерительный резистор 11.

В свою очередь блок 6 управления содержит генератор 6.1, первый 6.2 и второй 6.3 транзисторы, первый 6.4, второй 6.5, третий 6.6, четвертый 6.7, пятый 6.8, шестой 6.9 и седьмой 6.10 резисторы, первый 6.11, второй 6.12 и третий 6.13 конденсаторы.

Первый вывод базового резистора 5 соединен с базой переключающего транзистора 1, начало первичной обмотки 2.1 трансформатора 2 соединено с плюсовым входным выводом 7, конец первичной обмотки 2.1 трансформатора 2 соединен с коллектором переключающего транзистора 1, вторичная обмотка 2.2 трансформатора 2 через выпрямитель 3 и фильтр 4 связана соответственно с плюсовым 9 и минусовым 10 выходными выводами. Первый вход блока 6 управления соединен с плюсовым выходным выводом 9, а выход блока 6 управления соединен со вторым выводом базового резистора 5. Эмиттер переключающего транзистора 1 связан с минусовым входным выводом 8 через токоизмерительный резистор 11, выводы которого соответственно являются вторым и третьим входами блока 6 управления. Первый вход блока 6 управления является первым входом генератора 6.1, выход импульсной последовательности которого является выходом блока 6 управления, второй вход которого соединен с общим выводом генератора 6.1, первыми выводами кондесатора 6.11 и резисторов 6.4 и 6.5. Третий вход блока 6 управления соединен с первыми выводами конденсаторов 6.12 и 6.13. Второй вывод конденсатора 6.11 соединен с первыми выводами резисторов 6.6 и 6.7 и первым выводом задающей RC-цепочки генератора 6.1, второй вывод задающей RC-цепочки которого соединен со вторым выводом резистора 6.6, коллектором транзистора 6.2 и первым выводом резистора 6.8, второй вывод которого соединен с базой транзистора 6.2, с первым выводом резистора 6.9, вторыми выводами резистора 6.7 и конденсатора 6.12 и коллектором транзистора 6.3, эмиттер которого соединен со вторым выводом резистора 6.5, база транзистора 6.3 соединена со вторыми выводами резистора 6.9 и конденсатора 6.13, эмиттер транзистора 6.2 соединен с первым выводом резистора 6.10, второй вывод которого соединен со вторым выводом резистора 6.4 и вторым входом управления генератора 6.1.

Используемые в преобразователе элементы являются стандартными, взаимозаменяемыми и широко используются в практике. Однако для реализации преобразователя с наивысшим КПД целесообразно использовать в качестве переключающего транзистора 1 полевой транзистор, в качестве токоизмерительного резистора 11 - резистор минимальной величины (чтобы как можно меньше потреблять энергии при протекании через него рабочего тока) с минимальной погрешностью (чтобы как можно точнее измерять протекающий через него ток), а в качестве генератора 6.1 - высокостабильный управляемый генератор двоичной последовательности. Базовый резистор 5 в зависимости от выбранных элементов и режима работы выполняет подстрочечную функцию и в некоторых случаях может отсутствовать. Токоизмерительный резистор 11 для повышения технологичности производства и снижения весогабаритных характеристик преобразователя реализуют в виде дорожки на печатной плате или напыляют на печатной плате. В качестве генератора 6.1 может быть использован один из большого числа существующих генераторов (от простейших RC-генераторов до весьма сложных с использованием операционных усилителей), но, как показали исследования автора, в рамках рассматриваемого технического решения наиболее целесообразно использовать относительно дешевый и высокостабильный управляемый генератор на токовом компараторе и операционных усилителях фирмы Моторолла типа UC3843, конструктивно представляющий собой одну микросхему. В рамках рассматриваемого технического решения выпрямитель 3 и фильтр 4 не являются существенными и показаны для большей ясности, причем в виде простейшей реализации как диод и конденсатор соответственно. Естественно, они могут быть реализованы в виде более сложных и качественных мостовых выпрямителей и дросселыю-конденсаторных фильтров и др.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 6.1 блока 6 управления вырабатывает импульсную последовательность, которая через базовый резистор 5 включает и выключает переключающий транзистор 1 (силовой ключ), благодаря чему с помощью первичной 2.1 и вторичной 2.2 обмоток трансформатора 2 происходит высокочастотное преобразование входного постоянного напряжения, приложенного к выводам 7 и 8, в импульсное напряжение на вторичной обмотке 2.2, которое через выпрямитель 3 и фильтр 4 поступает на выводы 9 и 10 для питания нагрузки.

При этом на первый вход блока 6 управления подают сигнал обратной связи по выходному напряжению, например с вывода 9, а на второй и третий входы блока 6 управления - сигнал обратной связи с выхода токоизмерительного резистора 11 (соответственно точка соединения конденсатора 6.11 и резисторов 6.5 и 6.4 и точка соединения конденсаторов 6.12 и 6.13). Последний сигнал усиливается на двух каскадах транзисторов 6.3 и 6.2. Этот усилитель с помощью задающих коэффициент передачи резисторов 6.8 и 6.5 усиливает разницу между потенциалом общего провода блока 6 управления (второго входа блока 6, связанного с общим выводом оператора 6.1) и потенциалом общего провода устройства (третьего входа блока 6). На коллекторе транзистора 6.3 образуется напряжение, пропорциональное току, протекающему через транзистор 1, т.к. база транзистора 6.3 соединена с общим проводом устройства через конденсатор 6.13 большой емкости. Далее напряжение с коллектора транзистора 6.3 подается на базу транзистора 6.2, представляющего собой эмиттерный повторитель, предназначенный для согласования выхода транзистора 6.3 со входом токового компаратора генератора 6.1 (генератор не раскрыт. т.к. используется указанная выше стандартная микросхема). В результате происходит импульсное управление транзистором 1, зависимое от тока, протекающего через этот транзистор, т.е. чем больше ток этого транзистора, тем уже импульс управления и наоборот.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий переключающий транзистор, трансформатор, выпрямитель, фильтр, базовый резистор, блок управления, плюсовой и минусовой входные и выходные выводы, причем первый вывод базового резистора соединен с базой переключающего транзистора, начало первичной обмотки трансформатора соединено с плюсовым входным выводом, конец первичной обмотки трансформатора соединен с коллектором переключающего транзистора, эмиттер которого связан с минусовым входным выводом, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и фильтр связана соответственно с плюсовым и минусовым выходными выводами, при этом первый вход блока управления соединен с плюсовым выходным выводом, а выход блока управления соединен со вторым выводом базового резистора, отличающийся тем, что дополнительно содержит токоизмерительный резистор, причем эмиттер переключающего транзистора связан с минусовым входным выводом преобразователя через токоизмерительный резистор, выводы которого соответственно являются вторым и третьим входами блока управления, который содержит генератор, два транзистора, семь резисторов и три конденсатора, при этом первый вход блока управления является первым входом управления генератора, выход импульсной последовательности которого является выходом блока управления, второй вход блока управления соединен с общим выводом генератора, первыми выводами первого конденсатора, первого и второго резисторов, третий вход блока управления соединен с первыми выводами второго и третьего конденсаторов, второй вывод первого конденсатора соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов и первым выводом задающей RС-цепочки генератора, второй вывод задающей RC-цепочки которого соединен со вторым выводом третьего резистора, коллектором первого транзистора и первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с базой первого транзистора, с первым выводом шестого резистора, вторыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора и коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен со вторым выводом второго резистора, база второго транзистора соединена со вторыми выводами шестого резистора и третьего конденсатора, эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и вторым входом управления генератора.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что токоизмерительный резистор представляет собой дорожку на печатной плате.

3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что для его реализации с наивысшим кпд используют токоизмерительный резистор минимальной величины с минимальной погрешностью, причем конструктивно в виде напыления на печатной плате.

4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что базовый резистор в зависимости от используемых элементов в блоке управления и типа переключающего транзистора, а также режима работы может иметь сколь угодно малое сопротивление, вплоть до нулевого.

РИСУНКИ

Рисунок 1