Импульсный стабилизатор напряжения (его варианты)

 

О П И С А Н И Е (928329

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз CoscTcNNR

Социапистическик

Республик (6I ) Дополнительное к авт; сввп-ву (22) Заявлено 07. 07. 80 (21) 2952611 /24-07 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Опубликовано 15. 05. 82. 61оллетень Юв 18

Дата опубликования описания 15.05.82 (Ы)М. Кл.

G 05 F 1/64

ГаеуАарстааиный комитет

СССР ае делан изобретений и открытий (53) УДК 621.З16, .722.1 (088.8) А. И. Гинзбург, А. Ф. Кривцов, Л. И и Н. И. Разумахина (72) Авторы изобретения (7I) Заявитель

|., . (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к преобразо| ,вательной технике и может быть использовано при разработке вторичных источников питания.

Известно устройства, содержащее мостовой статический преобразователь с широтно-регулируемыми транзисторамй, вь1ходной трансформатор и линейный однообмоточный дроссель, вклю- . ченный последовательно с обмоткой выходного трансформатора (1 1.

Пбмотка линейногс| дросселя позво ляет ограничивать ток к первичной обмотке выходного трансформатора во вре15 ия открывания транзисторов статического преобразователя напряжения, однако она не обеспечивает нагрузку энергией во время выключенного состояния транзисторов статического пре.

20 образователя. Обеспечение энергией нагрузки в это времл осуществляется реактивными элементами, подключенными параллельно выпрямителю, чт . ведет к снижению КПД устройства и увеличению его габаритов.

i.

Известно также устройство, содержащее мостовой статический преобразст ватель с широтно-регулируемыми тран зисторами, выходной трансформатор, выходной выпрямитель с Фильтром и линейный двухобмоточный дроссель, одна обмотка которого включена в цепь пи- . тания статического преобразователя, а вторая обмотка связана через коммутирующий диод с выходным фильтром.

Во время .открытого состояния транзисторов преобразователя, через пер» вую обмотку дросселя протекает ток и в ее индуктивности запасается энергия. После выключения транзисторов преобразователя, в обмотках дросселя возникает ЭДС такой полярности, что открывается коммутирующий диод и обеспечивается передача энергии1 накопленной дросселем в нагрузку, диоды выходного выпрямителя в это воемя закрыты и напряжение на

30

3 92 обмотках выходного трансформатора равно нулю Г21.

Устройство не позволяет одновременно стабилизировать выходное напряжение трансформатора по амплитудному, среднему и эффективному значениям. Следовательно такое устройство не может быть использовано для питания нескольких гальва" нически не связанных нагрузок. Кроме того, недостатком этого устройства является то, что первая обмотка дросселя .гальванически связана с питающей сетью, а вторая - с нагрузкой.

В случае высоковольтной нагрузки это требует применения соответственно и двух (трансформатор, и дроссель) высоковольтных элементов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является импульсный стабилизатор напряжения, который содержит мостовой статический преобразователь с двумя полностью и двумя не полностью управляемыми транзисторами (т.е. с двумя широтно-регулируемыми и двумя нерегулируемим транзисторами), выходной трансформатор, первичная об" мотка которого выполнена со средней

: точкой, выходной выпрямитель с фильтром, модулятор управляющих импульсов, дроссель, подключенный ко входу .стабилизатора и коммутирующий диод,ь катод которого подключен ко входу стабилизатора, а анод - к средней точке первичной обмотки выходного трансформатора 3).

Такое устройство обеспечивает частичную стабилизацию выходного нап- ряжения в течение полупериода, но не позволяет поддерживать выходное напряжение с одинаковой степенью точности по среднему, эффективному. и амплитудному значениям. !

Цель изобретения - расширение, функциональных возможностей"путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный стабилизатор напря" жения, содержащий «мостовой усилитель мощности с двумя последовачелвно со-: единенными широтно-регулируемым и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого qopключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен вы.

8329

4 ходной трансформатор, блок управле ния, входом подключенный к выходным выводам, а выходом - к управляющим пе реходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, введен второй коммутирующий диод, одним из

Электродов подключенный к второму входному выводу,в направлении, обратном протеканию тока, а вторым - к эмиттеру первого широтно регулируемого транзистора, связанного с перИ вым входным выводом, причем второй . электрод первого коммутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен в первом и втором варианте с отводом от средней точки обмотки, который соединен с соответствующим выводом упомянутого выходного трансформатора и включен в первом варианте разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов, во втором варианте-в разрыв нерегулируемых транзисто:ров,а в третьем варианте упомянутый .дроссель выполнендвухобмоточным,при этом первая обмотка включена в разрыв соединения широтно-регулируемых,,а вторая -. в разрыв соединении нерегулируемых транзисторов.

На фиг. 1-3 приведены электрические схемы вариантов выполнения, импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. 4-6 — эпюры напряжения, поясняющие работу вариантов импульсного стабилизатора напряжения.

Стабилизатор содержит дроссель 1, с двумя полуобмотками (или обмотками) 2 и 3, мостовой усилитель мощности с двумя, последовательно сое,диненными широтно-регулируемыми 4 и .5 и нерагулируемыми 6 и 7 транзистора ми, первый коммутирующий диод 8 и второй коммутирующий диод 9, выходной трансформатор 10, включенный в диагональ переменного. тока мостового усилителя мощности, блок управ ления 11, нагрузку 12, первый 1) и второй 14 входные выводы, к которым подключена диагональ постоянного тока моста усилителя мощности.

В первом варианте (фиг. 1) дроссель 1 включен в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов 4, ,и 5 и вывод от средней точки обмотки

9283

25

40

5О

5 дросселя 1 соединен с началом первичной обмотки выходного трансформа.тора 10, первый коммутирующий диод

8 подключен к первому входному выво ду 13 и коллектору второго широтнорегулируемого транзистора 5, второй коммутирующий диод 9 подключен ко второму входному выводу 14 и эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора 4, Блок управления 11 входом подключен к выходным выводам нагрузки 12, а выходами - к управляющим переходам транзисторов 4-7 усилителя мощности..

Во втором варианте,фиг. 2) дроссель 1 включен в разрыв соединения нерегулируемых транзисторов 6 и 7, а вывод от средней точки обмотки дросселя 1 подключен к концу первичной обмотки выходного трансформатора 10.

В третьем варианте (фиг. 3) дроссель 1 выполнен двухобмоточным, при этом первая обмотка 2 включена в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов 4 и 5, а втовая обмотка 3 — в разрыв соединения нерегулируемых транзисторов 6 и 7.

Остальные соединения во втором и третьем вариантах такие же как и в первом варианте.

На фиг. 4 приведены эпюры напряжения для первого варианта :15; эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 4; 16 — эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 5; 17 - эпюра напряжения на коллекторном переходе транзистора 6; 18 — эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7; 19 — эпюра напряжений на первичной обмотке трансформатора 10; 20 — эпюра напряжений на обмотках 2 и 3 дросселя 1.

На фиг. 5 приведены эпюры напряжения для второго варианта : 21эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 4; 22- эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 5; 23 — эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 6; 24- эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора

На фиг. 6 приведены зпюры напряжений для третьего варианта: 25эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 4; 26- эпюра напряже, .ий на коллекторном переходе транзистора 5; 27 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзис29

6 тора 6; 28 - эпюра напряжений на коллекторном переходе транзистора 7.

Эпюры напряжений на первичной обмотке трансформатора 10 и обмотках

2 и 3 дросселя 1 для второго и третьего вариантов стабилизатора такие же, как для первого варианта (не показано), На фиг. 4-6 принятые следующие обозначения уровней напряжений:

Š— напряжение питания стабилизао тора;

U — напряжение на первичной обТ мотке трансформатора 10;

Up- напряжение на обмотках 2 и

3 дросселя 1.

Импульсный стабилизатор напряжения работает следующим образом.

В первом варианте (фиг. 1,4) на базы транзисторов 4-7 от блока управления 11 поступают управляющие импульсы с постоянной частотой. Скважность (отношение периода переключения и времени открытого оостояния транзисторов) управляющих импульсов, поступающих, на базы транзисторов 6 и 7 постоянна и равна двум. Скважность управляющих импульсов, поступающих на базы транзисторов 4 и 5, равна или больше двух и зависит от величины выходного стабилизированного напряжения. Во время открытого состояния транзисторов 4 и 7 происходит передача электрической энергии через трансформатор 10 в цепь наг рузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Величины падения напряжения U на обмотке 2 дросселя 1 и на обмотке выходного трансформатора 10 UT показаны на эпюрах..

19 и 20. Транзистор 4 выключается, .напряжение на его коллекторном переходе возрастает до .уровня питания стабилизатора Ео (эпюра 15), при этом происходит увеличение напряже ния на коллекторном переходе транзистора 5 до уровня 2 UT, значение напряжения на коллекторном переходе транзистора 6 остается равным Ео (эпюра 17), транзистор 7 остается открытым до окончания полупериода (эпюра 18). Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием развивающейся ЭДС. Напряжение на обмотке 2 дросселя 1 становится равным напряжению на обмотке выходного тран-. сформатора 10, коммутирующий диод 9 открывается, при этом энергия, за9283

50

55 пасенная в обмотке 2 дросселя 1,пере. дается в первичную обмотку выходного трансформатора 10. Напряжение на об» мотке трансформатора l0 остается по стоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Транзистор 7 выключается, напряжение на его коллекторном переходе становится равным Ео(эпюра 18), напряжение на коллекторном переходе транзистора 4 снижается до уровня U> .(эпюра 15), транзисторы 5 и 6 открйваются, напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансформатора 10;противоположной поляр ности (эпюра 19), вызывая перемагничивание его сердечника:. При этом

I происходит передача энергии через трансформатор 10 в цепь нагрузки 12 . и накопление энергии в обмотке 3 дросселя 1. Величина падения напряжения 0> на обмотке 3 дросселя 1 и обмотке выходного трансформатора 0т показаны на эпюрах 19 и 20. Транзистор 5 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до напряжения Е (эпюра 16), при этом напряжение на коллекторном переходе,закрытого транзистора 4 возрастает до 2 0т (эпюра .15), йапряжение на коллекторном переходе закрытого транзистора 7 остается равным

Е о (эпюра 18),транзистор 6 остается открытым до окончания полупериода, напряжение на обмотке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20), под действием развивающейся ЭДС напряжение на обмотке 3 дрос- . селя 1 становится равным напряжению (U ) на обмотке трансформатора 10, 40 открывается коммутирующий диод 8, при этом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1, передается в обмотку трансформатора 10. Напряжение на обмотке трансформатора 10 остается постоянным (эпюра l9). Во

45 время выключенного состояния широтко-регулируемых транзисторов 4 и 5, обмотка трансформатора 10 отключается от .источника питания стабилизатора. Далее процесс повторяется.

Во втором варианте (фиг. 2 и 5) импульсы управления от блока управления 12 подаются на базы транзисторов

4-7 с такой же частото" и скважностью, как это описан, н принципе действия импульсного стабилизатора s первом варианте, Во время открытого состояния транзисторов 4 и 7 проис29 8 ходит передача электрической энергии через трансформатор 10 в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 3 дросселя 1, Величины падения напряжений 0д на обмотке 3 дросселя

1 и обмотке выходного трансформатора

10 0т приведены на эпюрах 19,20.

Транзистор 4 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до уровня E (впюра 21), нЖряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 5 снижается до нуля (эпюра 20), напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 6 возрастет до уровня

Е + 2 U (эпюра 23),,транзистор 7 остается открытым.(эпюра 24), напряжение на обмотке 3 дросселя 1 изменяет свою полярность под действием развивающейся ЭДС достигает, значения, равного U (эпюра 19), коммутирующий диод 9 открывается, при этом энергия, запасенная в обмотке 3 дросселя 1,передается в первичную обмотку выходного трансформатора 10. Напряжение на обмотке выходного трансформатора 10 остается постоянным до окончания полупериода (эпюра 19). Транзистор 7 выключается напряжение на

1 его коллекторном переходе становится равным U (эпюра 24), транзисторы 5 и

6 включаются, напряжение на коллекторном переходе выключенного транзистора 4 остается равным Ео(эпюра 21), напряжение источника питания стабилизатора прикладывается к обмотке выходного трансформатора 10 противоположной полярности (эпюра 19), вызывая перемагничивание его сердечника ° При этом происходит передача энергии через трансформатор 10 .в цепь нагрузки 12 и накопление энергии в обмотке 2 дросселя 1. Транзистор 5 выключается, напряжение на его коллекторном переходе возрастает до Е (эпюра 22), напряжение на коллекторном переходе закрытого. транзистора 7 возрастает до уровня Eo+2UT (эпюра 24), напряжение на обмотке

2 дросселя 1 изменяет свою полярность (эпюра 20) под действием развивающей ся ЭДС оно становится равным значению 0, коммутирующий диод 8 открывается, при этом напряжение на коллекторн"-и. переходе закрытого транзистора 4 снижаетсл до нуля (эпюра 21).Энергия, запасенная в обмот.ке 2 дросселя 1, передается через обмотки трансформатора 10 в нагруз9

928329

35

45 ку 12, .Напряжение на обмотке трансформатора 10 остается постоянным до окончания полупериода (эпюра 19).

Во время выключенного состояния транзисторов 4 и 5 обмотка трансформатора 10 отключается от источника питания стабилизатора. Далее процесс повторяется.

В третьем варианте, принцип работы аналогичен принципу работы стаби to лизатора первого варианта. Отличительной особенностью работы третьего варианта является то, что напряжение на коллекторных переходах . закоытых транзисторов не превышает значения Е + 0, как это показано о на фиг.6.

В первом варианте импульсного стабилизатора . величина напряжения, приложенного к коллекторным переходам .транзисторов не превышает 2 UT. По1 этому целесообразно его использовать при питании стабилизатора Ьт источника постоянного тока напряжением 220 - 550 В. Однако в этом варианте схемы в процессе коммутации нерегулируемых .транзисторов 6 и 7 возможно возникновение. сквозных токов.

Во втором варианте импульсного стабиливатора максимальная величина напряжения, приложенного к коллекторным переходам транзисторов,возрастает до уровня Ео+ 2 U . Поэтому наиболее целесообразно его использовать при питании стабилизатора от источников постоянного тока напряжением 27-110 В, причем уровень напряжения Е +2 От не является определя-. ющим при выборе типа транзисторов преобразователя. Кроме того, дрос40 . сель, включенный между эмиттером . транзистора 6 и коллектором транзис. тора 7, ограничивает сквозные токи через эти транзисторы.

В третьем варианте импульсного стабилизатора максимальная величина напряжения, приложенного к коллекторным переходам транзисторов, составляет Е +О . Этот вариант может быть использован при питании от любого уровня постоянного. напряжения Обмотки дросселя 1 включенные между эмиттерами транзисторов 4 и 6 и коллекторами транзисторов 5 и 7, так же ограничивают сквозные токи при

55 коммутации. Однако. изоляция между обмотками дросселя 1 в этом случае должна быть расчитана на полное входное напряжение первичной обмотки трансформатора 10, в то время, как в пер-. вых двух вариантах напряжение между обмотками дросселя 1 не превышает падения напряжения на его активном сопротивлении от тока первичной обмотки трансформат )pa 10.

Предлагаемые варианты устройства целесообразно использовать для питания нескольких гальванически не связанных нагрузок на переменном или постоянном токе. При этом, в случае нагрузки на постоянном токе, емкость конденсаторов фильтров снижается за счет преобразования широтноимпульсной яодуляции в амплитудно-импульсную, вызывая снижение габаритов устройства и повышение его КПД.

Кроме того, целесообразно использование предлагаемого устройства для питания высоковольтной нагрузки, так как в этом случае обеспечивается снижение габаритов и повышение надежности за счет и кла4Ьния из схемы высоковольтного дросселя.

Формула изобретения

1. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми тран;зисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления входом подключен-. ный к выходным выводам, а выходом.к управляющим переходам транзисто-. ров усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод подключенФ ный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью расширения

) функциональных воэможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторым — к эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, .причем второй электрод первого ком928329

15

35 диода подключен к коллектору второ

Источники информации, рого широтно-регулируемого транзис- принятые во внимание при экспертизе тора, а упомянутый дроссель выполнен 1. Патент США 1" 3697855, с отводом от средней точки обмотки, кл. Н 02 M 7/42, 1972, который соединен с соответствующим 2; Патент Франции 11 2126336, выводом упомянутого выходного транс- кл. " 02 М 3/00, 1972, форматора и включен в разрыв соеди45

3 ° Авторское свидетельство СССР нейия нерегулируемых транзисторов .. " 524171, кл. G 05 0 1/64. 1976. мутирующего диода подключен к коллек тору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен с отводом от средней точки обмотки,. который соединен с соответствующим выводом упомянутого выход" ного трансформатора и включен в разрыв соединения широтно-регулируемых транзисторов.

2. Импульсный стабилизатор напряже ния, содержащий мостовой усилитель мощности с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного .тока которого подключена к входным выводам, а в ди, агональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выводам, а выходом- .к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод, подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем преобразования широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним иэ электродов подключенный к второму входнему выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторым - к эмиттеру первого широтно-регулируемо го транзистора, связанного с первым входным выводом; причем второй электрод первого коммутирующего

3. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий мостовой усилитель мощности. с двумя последовательно соединенными широтно-регулируемыми и двумя последовательно соединенными нерегулируемыми транзисторами, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а в диагональ переменного тока включен выходной трансформатор, блок управления, входом подключенный к выходным выво" дам, а выходом - к управляющим переходам транзисторов усилителя мощности, дроссель и первый коммутирующий диод,< подключенный одним из электродов к входному выводу в направлении обратном протеканию ч вка, 1 отличающийся тем, что, с целью расширения фукнциональных возможностей.путем преобразсаания широтно-импульсной модуляции в амплитудно-импульсную, в него введен второй коммутирующий диод, одним из электродов подключенный к второму входному выводу в направлении, обратном протеканию тока, а вторымк эмиттеру первого широтно-регулируемого транзистора, связанного с первым входным выводом, причем второй электрод первого коммутирующего диода подключен к коллектору второго широтно-регулируемого транзистора, а упомянутый дроссель выполнен двухобмоточным, при этом первая обмотка включена в разрыв соединения широтнорегулируемых, а вторая — в разрывсоединения нерегулируемых транзисто-" ров.

928329

2f

Ео+ где .2 2Vr

29

Составитель И. Никитин

Реаактоо Л. Гулько Техред g. Кастелевич Корректор С. Иекмар

Заказ 3239/60 Тира>ч 908 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, MocKBa, W-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4