Импульсный стабилизатор постоянного напряжения

 

736072

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социапнстнческих

Республик

-э( (6! ) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено 20.02.78 (2 I )2579891у24-07 (51)M. Кл.

G 05 Г 1/56 с присоединением заявки №

Государственный комитет (23) Приоритет по делам изобретений и открытий

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 30,05,80 (5З) УДK821.81(,, 722 1(088 8) (72) Авторы изобретения

В. И. Костылев, Г. А. Белов и А. Н. Пискарев

Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова (71) Заявитель (5А) ИМПУПЬСНЫЙ СТ АБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к преобразовательной технике, а точнее к импульсным преобразователям постоянного напряжения в постоянное другой вапичиньт. Оно может использоваться во вторичных

5 источниках электропитания, в том числе и в стабилизированных, особенно целесообразно использование в тех случаях, когда входное напряжение превышает допустимое коллекторное напряжение си- . то ловых транзисторов, примененных в импульсном регуляторе напряжения.

Известны импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (1 j и (21. . Наиболее близким техническим решением является импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержаший последовательный регулируюший транзистор, первый фильтруюший конденсатор, одной из обкладок соединенный с входным выводом, второй фильтруюший конденсатор, одной из обкладок соединенный с выходной цепью, сглаживаюший дроссель с основной обмоткой, включенной в выходную цепь регулируюшего транзистора, и вспомогательной обмоткой имеюшей магнитную связь с основной обмоткой, обратный диод, одним из электродов соединенный с обшей точкой сглаживаюшего дросселя и выходом регулируюшего транзистора, блок управления регулируюшим транзистором,,питаемый с выходных выводов (2). Такой стабилизатор напряжения обладает невысокой надежностью.

Объясняется это тем, что при запирании регулируюшего транзистора и сопутствуюшему ему открытии допопнительного дивl да, напряжение на регулируюшем транзисторе кратковременно (на время разря« да индуктивности рассеяния) становится равным входному напряжению, Это напряжение может оказаться больше допустимого импульсного коллекторного напряжения. Низка надежность стабилизатора и в момент подключения его к источнику питания, так как напряжение на закрытом регулируюшем транзисторе из за того, что конденсатор выходного фильтра еше

/ < (M(g, НЕ ЗаРЯ?КЕ?1 !QTQIIQI}(ITC« PQTTHj вк <ДЕ(01.,;У

Другим су}цествееп?ым недостатком явля= ется -,о, что блок управления кеao;=мо?(но питать с ВыхОДВ импульсе?о}."О ("::I -86и- 11(==:

З8ТОРЕ НЕПРЯМО(ЕНИЯ Тек Кек 17P}t ВК((la"("; г нии входного напряжения регулируюлщй транзистор ÎcTGBTcя Выкл(0<(еегнь?м i(0" скольку блок управленич обесто"-1ен.- Не=. обходимость иметь доп(}легите}1- -"-1--"-"HHK ПИтаНИЯ ДЛЯ ЗЕПTTCKG бЛОК<7 УПРеггПЛЕ=. ния усложняет схему стабгглиз=-:.тор}8

}(втык настоящего изобретения является повышение наде?кностн:. Емпуль-;(}I.o стабилизатора напряжения и уг:рощ= -1«:е его запуска, Для достижения указанной цели 1 ОпиC 8HHQI«E В Ьнц Е Ст Е 6 Е?<}?ИЗ t}T Op B д р} <г .!? B

КЛ8ДКИ ПЕРВОГО r(Втap<01 О фЕ:;TEтГ},ГК r П-,конденсаторов сОединены и K 0611iBI; точ-*

КЕ ИХ С ОЕДК НЕКИ Я ПОДКЛЕОЧ Ек ДРУГОЙ .электрод обратного диоде, 8 также QE(rttt

ВЫ?(ОДЕ(ОЙ ВЬIВО}П ВВЕД(ЕНЕ10? О ВЬГП}ЭЯ;гптB, ля и Одна из Обкладак. }}QBJJBHI:ÎÃQ !701107::. нительного кокденсетора, другая обклад-ка которого, а также другой В:.и:01 r(n вывод указанного выпрямителя подк-лю=-чен к общей шике причем вспомогат-..;u-:t ная ОбмОтка Вк<гпочене R днагг }1(<71(.:; .. г} прямления.

КРОМЕ ТОГГ} С 1}ЕЛ

ВВЮЩИМИ ДРОССЕЛЕМ И ВЬГХОДЕ(ЬП„(Е В (В

ДаМИ ВКЛЮЧЕНО ДОПОЛП(ПЕЛЬНОЕ;T«E Н} сглаживаю?цего филг,тра.

На фиг. 1 изображена припциггиал}.е-(ея схема предлагаемого стабилизатора пос-. тоянного напряжения; .IQ фиг<. 2 —:- ап.}(:-.

CBMOCTH OTHOCETTMtErT?Ot<О НQI(PS?КЕ(?ИЯ iT(! регулирующем тракае(сторе от отно(-и.-. тег(ьной длительност(1 имг(ульс(}1} 1. }. .::IE. T(-: торного тока на фиг. 3 = вари;.Нт уп}}(::—

ЩЕНИЯ СХЕМЬ?, TI?,irly}IT=,СН01.-0 C J. 86ПЛНЗ «i (T-. ра напряжения.

Регулирующий трензистор 1 под. л?О=

ЧЕН К ВХОДИ(}КЦг За?К"..1 ?<«?г 2 H }- Гггг?< P (n динения обратного диода 3 и основ-0: обмотки 4 сглаживагощего дросс:.,-,m

Нагрузка преобразовател«я пог?Ес.;?}Оч =..8 к точке соединения Oct10»!Ioli обмотки <е дросселя 5 и конденсатора 6 пьгго(пгогс фильтра и к входному зе}ким? 7., к (о-= торому также присоединен доп}О}(п?(Т(1111-нь(л кондепсQTop 8е КО1(денс <чтор 9 входного фегльтра соединен с0 Входпык4 зажимОМ 2 и с общей точкой с(}еп(}не(?ия обратного диода 3 и KOEJL?e?<.се-.оров б и

8 ВЬ1ХОДНОГO И д(гr T}<

| . .сВязь с ОснОВнОЙ 4р нодкл}ОЧ е к<а к до}(олнит}?ьному конденсатору 8 через выпрямите?п„образовеннг(й диодами 1 1, .(2. (3„1 }. На блок 15 управления напряжение питания (101!JGBTci7 с пос(1йдоветельнс} соединенных конденсаторов ь и 8 Вьг(одпОГО и (OIIOflнитзльнОГО фильтров. С выхода блока 15 управления

} }; Пан}",1 ?К Е};И-(IIOCG Унаэт На ВХОД }BI <г<ЕИРУ?Д

% щего треп-:-п(стора 1. Лупктиром показа(I0 дополни(тБтьное 31}ено 16 Выходного

Фи и тp8. (исходное} состоя<}пи наг}ря?кение на

ВЫХО(. СтабИЛИЗатОра pGBHO НуЛЮ}, бЛОК

1.5 уt:E}àèlения обесточе}, и регулиРую}:(И:(.:.<}81?З}}СТО З . } ЗРКРЫт.

Г}осг(е подкгщочепия стабилизатора к и точнику;п(тания и-оисходит процесс быстрого заряда конденсаторов 9 и 8

ВходнОГО и дополпительпОГО фе(льтров.

Нри этом ВхоКное нап?}я?кение делится ."--"""" "-"-"?Ом дел"тг(е: 06p8зовепчом

}?еречнсленп} Еми кондепсато}}еми, и установив<н еся напря?кенн, на них обдает 10 пропорционально их емкостям. Таким

« QP, 3ЗГ}м» К 3 8 к } }ЬЕТОМ ?г Р гч< )г}(Е(Р"<ггг<ЩЕЕг(У

" QH:истору ., Прикладывается только I8CTh ВХОД}1}ОГО НапРЯ>КЕНИЯ P

}C,Bf}}

cQTQp 8 Вьходного фильтре поступает

irQ 6}10K .).5 упрев11екия- кот0}}ь17 Вс}зб ? Et(даетс —,. Имг(ульсный стаб.<пизатор непря -:ентия пер((ход}«т В Рабочи?} ре?ким E этом}. режиме папря}ке?ще на дополните}Ты-.= лом кслгденсаторе 8 поддерживается с

-}( (}омон(-,10 ясном(}гятельной обмотки 10 сг118?к(BGIQLT",Bão дроссми 5 г(одключе?ьно?} г срез }}ьгпрям((тель на диодах 11

1 1}.

Напря?кепие не вспомогательной обмотке 30 определяет(:." Напряжением на ос!101}ной Обмотке 4 сГ<18?кивеlопгеГО дро< СЕЛЯ 5 И ЗВГ}ИСИ 1 От СОС<ТНОШЕНИя

}1 ?(7 1101, ИХ„<(}ОРМ8 Наг(РЯ ж ЕЕ(и Я На ОС Нов

It0l J 06МОТ К е 4: Hp BpCT

Вом приближе11ии п}}ямоугольпы:е знако-. черBgy70ILtrrеся имггульсгя«,; OTpirцательный

ИМПУ}ц}С НапРЯжвк(1Я QTНОСИт чько На?а-.

18 06}1<1ОТКЕ?р ОООЗНВЧЕННОИ ТОЧКОИ Г}ОЗ}П(кает тогда, когда регулирующий транзистор В::.;11«ючен, а обретк--,(й диод 3 ЗQKpi,!T., и Ве??ичина е1.о равна,}8<(}?(ости межд.;

"-. : ОДНЫМ,TI ВЫХОДПЬЕМ НВПРЯ?КЕНИЕМ

06pGSQBGTЫЕЯ }EQ<70i}Б(!JB.1ьпьп! Импулг С

072 (.(к °

» (+((-((» о

55

5 736 будет в том случае, когда транзистор 1 закроется н осноьная обмотка 4 подключится к конденсатору 6 выходного фильтра с помошью обратного диода 3, открываемого током намагничивания дросселя

5. В это время напряжение на основной обмотке 4 равно напряжению на конденсаторе 6.

Соотношение между амплитудами этого напряжения и, следовательно, между амплитудами напряжения на вспомогательной обмотке 10 зависит от величины относительной длительности импул сов коалекторного тока регулируюшего транзистора 1 B установившемся режиме преобразователя. Если эта величина превышает 0,5, то амплитудное значение положительного импульса на вспомогательной обмотке 10 больше, чем отрицательного. В этом случае напряжение на дополнительном конденсаторе 8 устанавливается во время выключенного состояния регулируюшего транзистора 1 за счет энергии, накопленной в дросселе 5. При этом будут открыты током намагничивания обратный диод 3 и диоды 11 и 14 выпрямителя. После включения регулируюшего транзистора 1 диоды 11 и 14 закроются, а диоды 12 и 13 останутся в непроводягцем состоянии, так как напряжение на дополнительном конденсаторе 8 будет превышать по величине напряжение на дополнительной обмотке 10.

Для такого режима относительная величина напряжения на регулируюшем транзисторе, равная отношению напряжения на закрытом регулируюшем транзисторе к напряжению питания стабилизатора, определяется выражением кэ

E Й11) где 1,} — напряжение на закрьггом транкэ зисторе, Š— напряжение питания стабилизатора

И - отношение числа витков дополнительной обмотки 10 к числу витков основной обмотки

4 сглаживаюшего дросселя 5; относительная длительность импульсов коллекторного тока регулируюшего транзистора 1.

При выводе формулы переменные составляюшие напряжения па конденсаторак не учитывались ввиду их малости .по сравнению с постоянными составляюгцими» а напряжение на закрьггом регу лируюшем транзисгоре было принято равным напряжен((ю па конденсаторе О входного фильтра.

На фиг. 2 (кривая 1} показана зависимость относительного напряж "íèÿ на транзисторе от относительной длительноти импульсов кочлекторного ToKQ» изме— няюшейся от 0 до l, для 11= l и пунк10 тирной линией — для И =2.

Если относительная длительность им» пульсов коллекторного тока менее 0,5, то в этом случае амплитудное значение отрицательного импульса напряжения на вспомогательной обмотке 10 дросселя 5 больше положительного,и напояжение на дополнительном конденсаторе 8 устанавливается во время включенного состояния регулируюшего транзистора l.

При этом обратный диод 3 закрыт, а диоды 12 и 13 открываются током заряда дополнительного конденсатора 8, который трансформируется из коллекто} ной цепи с помошью двухобмоточного дросселя 5. После запирания регулируюшего транзистора 1 током намагничивания дросселем 5 вновь открывается обратный диод 3 и подключает к транзистору 1 конденсатор 9 входного фильтра, а диоды 11 и 14 останутся закрытыми.

С учетом ранее сделанных допущений относительная вечичина напряжения на транзисторе определяется следую ней формулой

Зависимость 0 1 Е от $ показана HG

i(.3 фиг, 2 (кривая 2) сплошной пинией для g =1 и пунктирной линией для h =2. таким образом, при увеличении относительной продолжительности импульсов коллекторного тока f от 0 до 0,5 напряжение на закрытом регулируюшем транзисторе l предлагаемого стабилизатора изменяется по кривой 2 (фиг. 2}, а после превышения величины 0,5 — по кривой 1. Видно, что в любом случае коллекторное напряжение на регулируюшем транзисторе 1 меньше напряжения питания, причем с увеличением отношения чистых витков вспомогательной обмотки 10 к вислу витков основной 4 дросселя 5 степень снижения напряжения возрастает. Однако следует оТМотить что достигается это путем большей загрузки по току регулируюшего

7360 72 транзистора 1. Последнее не является препятствием для использования предлагаемого импульсного стабилизатора напряжения, так как промышленность освоила выпуск транзисторов, рассчитанных на большие токи. Кроме того,. осуществляют схемы достаточно надежного параллельного включения транзисторов.

Конденсаторы 9 входного фильтра и дополнительный конденсатор 8 (фиг. 1) >О образуют емкостной делитель напря>кения, поэтому колебания входного напря>кения, особенно имеющие бсльшую крути=:ну фронтов, могут проникнуть на выход стабилизатора напряжения. Для предотвраще- < ния этого может быть использовано дополнительное звено сглаживающего фильтра

16, которое может бьггь собрано по любой схеме. Б этом случае вход блока управления 15 подключается к выходу дополнительного звена сглаживающего фильтра 16.

Обычно величина выходного напряжения стабилизаторов близка к нижнему пределу изменения напряжения питания, так что относительная длительность импульсов коллекторного тока регулирующего транзистора изменяется в пределах .от 0,5 до 1,0. Для таких импульсных стабилизаторов напряжения схема может

З0 бьггь упрощена путем исключения r,èîäîâ

12,13,14, На фиг. 3 изображен вариант упрощенной схемы импульсного стабилизатора напряжения. Схема содержит регулирую- з щий транзистор 1, обратный диод 3, основную 4 и вспомогательную 10 обмотки сглаживающего фильтра 5, конденсаторы выходного фильтра 6, входного 9 и дополнительного 8, выпрямитель, об— разованный диодом 11. цепь питания блока управления 15 подсоединена к выходу преобразователя, Дополнитель ное звено сглаживающего фильтра 16 имеет то же назначение, что и ранее.

Во время закрытого состояния регулирующего транзистора 1 напряжение на входном конденсаторе 9 устанаьпивается равным напряжению питания за вычетом напряжения на вспомогательной обмотке 10. Поскольку в это время обратный диод 3 открыт током намагничивания дросселя 5, то транзистор 1 оказывается подключенным к этому конденсатору и напряжение на нем меньше напряжения питания. После включения транзистора 1 диоды 3 и 11 закрываются и конденсатор 9 отключа гся, 1 поэтому напряжение на нем не изменяется,и в следующий цикл работы оно будет вновь подключено к транзистору.

Относительная величина напряжения на закрытом регулирующем транзисторе определяется кривой 1 на фиг. 2 и это напряжение всегда меньше напряжения питания, прибли>каясь к нему по мере уменьшения

Импульсный стабилизатор напряжения, благодаря описанному включению выпрямителя, вспомогательной обмотки сглаживающего дросселя и дополнительного конденсатора, обладает более высокой йаде>кностью, чем йзвбстнь|е. Повышение надежности достигается за счет уменьшения напряжения на закрытом регулиру|ощем транзисторе. Степень уменьшения напряжения на транзисторе зависит от отношения числа витков вспомогательной обмотки к числу витков основной обмотки дросселя сглаживающего фильтра.

Например, при равном числе их (г1=1) напряжение на закрытом регулирующем транзисторе не превышает 66,66% напряжения питания, а при 0=2-50%, Важно отметить =o, что в предлагаемом импульсном стабилизаторе, напряже.ние на регулирующем транзисторе меньше напряжения питания в любом режиме, будь то установившийся режим стабилизатора, или его пусковой режим, или моменты коммутации тока регулирующим транзистором.

Предлагаемый импульсный стабилизатор напряжения может быть использован даже в тех случаях, когда напряжение питания превышает допустимое значение для регулирующего транзистора. Это расширяет его область применения и дает возможность создавать вторичные источники электропитания по бестрансформаторной схеме, рассчитанные на работе от сети переменного тока напряжением

380 В. Создание таких источников на базе известного импульсного регулятора невозможно по той причине, что к регулирующему транзистору в момент его запирания прикладывается полное напряжение, а отечетственных переключающих транзисторов, рассчиганных на тако напряжение, до настоящего времени и г.

Существенным преимушеством предлагаемого импульсного стабилизатора напряжения является также возможность подключения цепи питания блока управления к его выходу. Это позволяет отказаться от дополнитепьного источника питания для блока управленйя и значительно упрост!!Ть цепи запуcKG ста- билизатораора.

Iio сравнению с известной схема пред«

У лагаемого стабилизатора напряжения усложняется незначительно, добавляется только конденсатор и три диода.

Формула изобрет ения ! о

1. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержаший последовательный регулируюший транзистор, первый фильтруюший конденсатор, одной из обкладок соединенный с входным выводом, второй фильтруюший конденсатор, одной из обкладок соединенный с выходной цепью, сглаживаюший дроссель с основной обмоткой, включенной в выходную цепь регулируюшего транзистора, и вспомогательной обмоткой, имеюшей магнитную связь с основной обмоткой, обратный диод, одним из электродов соединен1ный с обшей точкой сглаживаюшего дрос25 селя и выходом регулируюшего транзистора, и блок управления регулируюшим транзистором, питаемый с выходных вывопову о T л и ч а ю ьц и Й с ч тI .1, что, с целью повью!.=ния надежност!! и упрошения процесса зя!!уска доугпе обкладки первого и DTopQI 0 (Ь!!т1ьтруюших конденсаторов соединены,п к обшей точке их соединения подклточен другой электрод обратного диода, а также один выходной вывод введенного выпрямителя и одна из обкладок введенного дополнительного конд нсатора, другая обкладка которого, а также другой выходной вывод указанного выпрямителя подключены к обшей шине, причем, вспомогательная обмотка включена B диагональ выпрямителя.

2. Стабилизатор но и. 1, о т л и— ч а ю ш и и с я тем, что, с целью улучшения динамических характеристик, между сглаживаюшим дросселем и выходными выводам; включено дополнительное звено сглаживающего фильтра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 290379, кл. Н 02 М 3/155, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

No 44 1 63"- ь кл. Р 02 N 3/ 1 55, 1 975.

7, 360 7 2

09

Сост авит еду Б Круглов а

Редактор М. Ликович Техред M. Петко Корректор К). Макаренко

Заказ 2265/5 Гираж =56 Подписное

ЫНИИПИ Государственного комитета СССР по дедам изобретений и открытий

ll 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, у . Проектпа», 4