Стабилизирующий источник постоянного напряжения

 

Союз Советски и

Социалистическии

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное и авт. свид-ву (22) Заявлено 01. 08. 80 (21) 2968207/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 15.06.82. Бюллетень ph 22

G 05 F 1/56

3Ьаудоротюивй комитет

СССР ао деми иеобретеиий и открытий (5З) УДК 621 З16 .722.1(088 8) Дата опубликования описания 1.6. 06. 82

Е.E. Мороз, В.А. Сошенко, В. Г. Чумак и В.И. Вкодйн (72) Авторы изобретения

Специальное конструкторско-технологическое 9оро

Института радиофизики и электроники АН Украинской CCP (71) Заявитель (54) СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ИСТОЧНИК ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к технике регулирования электрических величин и может быть использовано, например, в устройствах электропитания узлов автоматики, вычислительной техники, средств телеуправления и связи.

Иввестен стабилизирующий источник постоянного напряжения, содержащий электронный ключ со схемой управления и силовой трансформатор, к выходной цепи которого подключен выпрямитель. Схема управления содержит измерительный элемент, соединенный входом с выходом стабилизированного источника постоянного напряжения, а выходом -. с одним из ° входов устройства вычитания, другой вход которого соединен с выходом опорного элемента а выход устройства вычитания соединен с усилителем, подключенным к одному из входов элемента преобразования сигнала. Другим- входом элемент преобразования сигнала соединен с дополнительной выходной цепью силового трансформатора, а вы ходом - с управляющим входом указанного электронного ключа. Вход электронного ключа соединен с выходом выпрямителя, а выход электронного

5 ключа через фильтр соединен с выходом стабилизированного источника постоянного напряжения fl).

Недостатком указанного стабили1О зированного источника постоянного напряжения является то, что в соот ветствии с особенностями его схемы при работе устройства отсекается электронным ключом часть каждого

15 полупериода выходного пульсирующего напряжения выпрямителя (изменяющегося на входе выпрямителя во времени по закону синусоиды с частотой сети, питающей силовой трансформатор), что приводит к скачкообразному изМенению выходного напряжения электронного ключа при его переключениях и вызывает в результате возникновение интенсивного спектра

3 93590 помех, проникающих на выход устрой- ства.

Известен также стабилизирующий источник постоянного напряжения, содержащий электронный ключ с узлом управления и силовой трансформатор, к выходной цепи которого подключен выпрямитель. Выход выпрямителя через последовательный регулирующий элемент соединен с выходными 10 клеммами. Управление регулирующим элементом производится блоком управления, вход которого подключен к выходным клеммам, а выход — к управляющему входу регулирующего 35 элемента, при этом вход узла управления электронного ключа подключен параллельно регулирующему элементу (21.

Недостатком этого устройства является высокий уровень помех, создаваемых при работе в результате скачкообразных изменений выходного напряжения электронного ключа, отсекающего часть каждого полупериода входного синусоидального напряжения.

Наиболее близким по технической сущности,к предлагаемому является стабилизирующий источник постоянного напряжения, содержащий электронный ключ, силовой трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключен выпрямитель со сглаживающим фильтром, регулирующий элемент, последовательно включенный в одну из его выходных шин, блок управления регулирующим элементом, вход которого подключен к выходным выводам, а выход - к управляющему входу регулирующего элемента, и блок уп40 равления электронным ключом, выход которого подключен параллельно регулирующему элементу. Особенности схемы этого устройства позволяют уменьшить создаваемые при его работе помехи сравнительно с помехами от

45 работы устройств, упомянутых в качестве первого и второго аналогов.

Это обеспечивается тем, что блок управления электронным ключом выдает запирающее напряжение на электронный ключ только при переходе через нуль мгновенного значения переменного напряжения питающей сети и этим исключает практически возникновение помех при размыкании электронного ключа (3).

Недостатком этого устройства, обусловленным особенностями его схемы, является то, что при его работе на выход стабилизирующего источника постоянного напряжения поступают помехи, возникающие при замыкании электронного ключа, так как при этом скачком возрастает напряжение на первичной обмотке силового трансформатора, а значит и на его вторичной обмотке. В свою очередь, скачкообразное изменение указанных напряжений приводит к возникновению спектра помех, проникающих на выход устройства, причем их уровень остается таким, что ограничивает возможность применения указанного стабилизированного источника постоянного напряжения для питания ряда устройств электрорадиоавтоматики, Целью изобретения является уменьшение уровня помех.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизирующий источ.— ник постоянного напряжения f3) введены логическая схема И и синхронизатор переключений электронного ключа, включающий мостовой выпряI митель, компаратор напряжений и расширитель импульсов, .лои этом диагональ переменного тока мостового выпрямителя включена последовательно между входным выводом и первичной обмоткой силового трансформатора, электронный ключ включен последовательно в диагональ постоянного тока мостового выпрямителя, подключенную ко входу компаратора напряжений, соединенного выходом со входом расширителя импульсов, причем логическая схема И подключена своими входами к выходам соответственно блока управления электронным ключом и расширителя импульсов, а выходомк управляющему входу электронного ключа, электронный ключ выполнен на тиристоре, блок управления электронным ключом включает в себя последовательно соединенные триггер Шмитта и логическую схему HE.

Введение s стабилизирующий источник постоянного напряжения компаратора напряжений и его подключение к электронному ключу обеспечивает непрерывное автоматическое сравнение потенциалов на входе и выходе электронного ключа и формирование выходных импульсных сигналов этого компаратора синхронно с моментами обращения в нуль разности указанных

935905 6 потенциалов. В частности, такое обращение в нуль указанной разности потенциалов имеет место при переходе через нуль текущего значения синусоидального значения питающей сети, которое выпрямительной мостиковой схемой преобразуется перед подачей на электронный ключ, выполненный на .тиристоре, в пульсирующее напряжение одного знака, причем синусоиадальный закон изменения напряжения на силовом трансформаторе указанным подключением выпрямительной мостиковой схемы не нарушается. Ти" ристор же, на котором выполнен электронный ключ, получает воэможность (при наличии отпирающего напряжения на его управляющем электроде) открываться после каждого запирания, вызванного обращением в нуль указанной разности потенциалов, сразу после прохождения ее через нуль и возврата в область положительных значений в каждой пульсации, что соответствует по времени началу каждого полупериода питающей сети.

Расширитель импульсов, включенный на выходе синхронизатора переключений электронного ключа, расширяет по длительности сформированные при этом на выходе компаратора напряжений короткие импульсы (передний фронт которых совпадает с моментами перехода через нуль указанного напряжения сети) до величины Гц,, необходимой для надежного открывания электронного ключа, обычно составляющей С((= (В э 0 5- 0 э 1 ) Т,((1) где 1ц- требуемая длительность импульсов на управляющем входе электронного ключа, выполненного на тиристоре;

Т - период пульсаций напряжения, приложенного к тиристору.

При этом, поскольку при работе данного устройства за период синусоидального напряжения питающей сети имеют место две пульсации напряжения на электронном ключе, то

2(Qp - (01-02 и (2) где f - частота изменений напряжения питающей сети.

Введение логической схемы И и подключение ее входами к выходам соответственно схемы управления и расшиоителя импульсов, а выходом5

io

55 к управляющему входу электронного ключа, обеспечивает формирование и выдачу на управляющий вход электронного ключа переключающих сигналов по выходным сигналам схемы управления только при одновременном поступлении на эту же логическую схему И указанных импульсов синхронизации перекл(о" чений электронного ключа. Необходимые для указанной коммутации электронного ключа перепады выходного напряжения схемы управления, поступающего с нее на логическую схему

И, формируются содержащимся в схеме управления триггером Шмитта при переходах падения напряжения на регулирующем элементе через значение заданной пороговой величины. Последовательно соединенный с триггером

Шмитта логический элемент НЕ о6еспечивает при работе устройства инвертирование выходного напряжения триггера Шмитта. Это обеспечивает необходимое согласование полярностей напряжений, поступающих на логическую схему И. Таким образом, все это обеспечивает при работе устройства осуществление необходимых переключений электронного ключа только при переходах текущего значения синусоидального напряжения питающей сети через нуль, что уменьшает уровень помех на выходе стабилизированного источника постоянного тока.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного стабилизирующего источника постоянного напряжения.

Стабилизирующий источник постоянного напряжения содержит электронный ключ 1, силовой трансформатор 2, выпрямитель со сглаживающим фильтром 3, регулирующий элемент 4, блок

5 управления регулирующим элементом, блок 6 управления электронным ключом, который содержит последовательно соединенные триггер 7 Шмитта и логическую схему 8 НЕ, мостовой выпрямитель 9, компаргтор 10 напряжений и расширитель 11 импульсов, а также логическую схему 12 И. Вход выпрямителя 3 подключен ко вторичной обмотке силового трансформатора 2. Регулирующий элемент 4 последовательно включен в одну из выходных шин выпрямителя 3. Блок 5 управления регулирующим элементом 4 подключен между выходом регулирующего элемента 4 и его управляющим входом. Входные выводы блока 6 управления электг

7 935905 8 ронным ключом соединены с регулирующим элементом 4. Электронный ключ 1 включен последовательно в диагональ постоянного тока мостового выпрямителя 9, подключенную .ко входам компаратора 10 напряжений.

Выход компаратора 10 напряжений соединен со входом расширителя 11 импульсов. Логическая схема 12 И подключена своими входами к выходам соответственно блока 6 управления электронным ключом и расширителя

11 импульсов, а выходом - к управляющему входу электронного ключа 1 ., Электронный ключ 1 выполнен на тиристоре. Расширитель 11 импульсов выполнен по схеме одновибратора.

Устройство работает следующим об разом.

При отсутствии остаточного заряда на конденсаторе фильтра выпрямителя 3 первоначально, вплоть до подачи на входные зажимы переменного напряжения питающей сети, ток через регулирующий элемент 4 не протекает. Соответственно равняется нулю падение напряжения на регулирующем элементе

4, которое подается с него на блок б управления электронным ключом на триггер 7 Шмитта. Поскольку порог срабатывания триггера Шмитта устанавливается больше нуля на величину допустимого падения напряжения на регулирующем элементе 4, триггер

Шмитта в этом случае не срабатывает, и его выходной потенциал низкого уровня прикладывается к входу логической схемы 8 НЕ, с выхода которой при этом снимается и прикладывается к одному из входов логической схемы 12 И потенциал высокого уровня. После подачи питающего напряжения в каждом полупериоде переменного синусоидального напряжения питающей сети в диагонали постоянного тока мостового выпрямителя 9 действует пульсирующее положительное напряжение, изменяющееся во времени по закону модуля синусоиды (т.е. в каждом периоде синусоиды имеют место две положительные пульсации), которое прикладывается к электронному ключу 1 и компаратору 10 напряжений. При каждом обращении в нуль снимаемого с .диагонали постоянного тока мостового выпрямителя 9 пульсирующего напряжения в ходе его изменения по указанному закону (что соответствует переходам

Зо ся с выхода компаратора 10 чапряжений на вход расширителя 11 импульсов. В результате запуска ими одновибратора, по схеме которого выполнен расширитель ll импульсов, на выходе

35 его формируются совпадающие передними фронтами с одноименными фронтами импульсов запуска, а значит и с и ментами перехода напряжения питающей сети через нуль, но более широкие по длительности, прямоугольные синхронизирующие импульсы. Длительность импульсов, которые формируются одновибратором расширителя

11 импульсов, составляет величину

Ь<,, заданную в соответствии с зави45 симостью (2), т.е. достаточную для надежного открывания тиристора электронного ключа 1.

Сформированные указанным образом синхронизирующие импульсы подаются с выхода расширителя 11 импульсов на соответствующиЙ вход логической схемы 12 И, на другом входе которой все это время действует высокий выходной потенциал логической схемы 8 НЕ. В

55 результате логической схемы 12 И формируются совпадающие по времени с синхронизирующими импульсами выходные прямоугольные импульсы. Они по

16

25 синусоидального напряжения питающей сети через нуль), под его воздействием компаратор 10 напряжений лавинообразно переходит из одного устойчивого рабочего состояния в другое устойчивое состояние.

А при последующем отходе указанного пульсирующего напряжения от нуля обратно в область положительных значений в компараторе 10 напряжений лавинообразно восстанавливается исходное устойчивое состояние.

В результате таких двухкратных лавинообразных переходов вначале из одного устойчивого состояния в другое, а затем обратно в первоначальное, на выходе компаратора 10 напряжений формируются узкие прямоугольные импульсы. Передний фронт каждого из этих импульсов совпадает с моментом перехода текущего значения синусоидального напряжения питающей сети через нуль, а частота их следования равна удвоенной частоте этой сети, т.е. каждому указанному переходу через нуль соответствует выходной импульс компаратора

10 напряжений.

Каждый из этих импульсов подает935905 даются на управляющий вход электронного ключа 1 и открывают его, оставляя открытым на время каждой положительной пульсации напряжения, приложенного между его анодом и катодом. 5

15 рийного перегрева регулирующего эле- 25

Питающее напряжение через открытый электронный ключ l поступает на первичную обмотку силового трансформатора 2,.при этом на выходе выпрямителя со сглаживающим фильтром 3, подключенным ко вторичной обмотке силового трансформатора 2, появляется напряжение, которое через открытый регулирующий элемент 4 подается на выходные клеммы. Выпрямленный ток, который при этом протекает через регулирующий элемент 4, вызывает падение напряжения на нем. Это падение напряжения прикладывается по входным выводам схемы 6 управления к входу триггера 7 Шмитта, но при величине его, ниже установленного порогового значения (выбранного, исходя из условия отсутствия авамента 4), оно не вызывает срабатывания триггера 7 Шмитта. На выходе триггера 7 Шмитта продолжает действовать низкий потенциал, а на выходе логической схемы 8 НЕ соответственно высокий потенциал, который по-прежнему прикладывается к одному из входов логической схемы

13 И, на другой вход которой поступают все время синхрониэирующие импульсы.. Поэтому с выхода логической схемы 13 И на управляющий вход электронного ключа 1 продолжают поступать отпирающие его импульсы.

В результате стабилизированный источник постоянного напряжения продолжает работать указанным выше порядком. При этом напряжение, действующее на его выходе, прикладывается все время также к входу блока

5 управления регулирующим элементом 4. В результате на выходе указанного блока 5 управления формируется напряжение отрицательной обратной связи, которое прикладывается к управляющему входу регулирующего элемента 4. Оно при отсутствии изменений выходного напряжения стабилизированного источника постоянного напряжения поддерживает постоянство тока, протекающего через регулирующий элемент 4 и через нагрузку, подключенную к выходным зажимам, а при изменениях выходного напряжению, ЭО

3S изменяется пропорционально им, что вызывает соответствующее изменение тока через регулирующий элемент 4 и упомянутую нагрузку таким образом, что первоначальная величина напряжения на выходных зажимах восстанавливается.

При изменениях тока, протекающе го через регулирующий элемент 4, изменяется падение напряжения на нем, которое подается на вход триггера 7

Шмитта в блоке 6 управления электройным ключом.

В случае увеличения падения напряжения. через регулирующий элемент

4, более установленного значения, это падение напряжения на регулирую щем элементе 4 возрастает выше порога срабатывания триггера 7 Шмит та. Тогда триггер 7 Шмитта срабатывает, в результате чего на все время укаэанного превышения над порогом срабатывания на его выходе уста навливается высокий потенциал, который подается на вход логической схемы 8 НЕ. Соответственно при этом с одного входа логической схемы 12

И снимается высокий потенциал, а подается на него низкий выходной потенциал логической схемы 8 НЕ, который запирает логическую схему

l2 И. В результате очередной синхрониэирующий импульс в момент перехода текущего значения переменыого напряжения питающей сети через нуль не проходит с выхода расширителя 11 импульсов через логическую схему 12 И, т.е. с ее выхода на управляющий вход электронного ключа

1 не поступает очередной отпирающий импульс. Следовательно, в этом случае электронный ключ 1 после запирания при обращении в нуль приложенного между его анодом и катодом положительного напряжения в конце текущей его пульсации (что соответ ствует моменту очередного обращения в нуль текущего значения переменного напряжения питающей сети) не может уже отпереться при дальнейшем возрастании напряжения между анодом и катодом, как в предшествующем цикле работы, из"за отсутствия отпирающего импульса на его управляющем электроде. Таким образом, в этом случае цепь питания первичной обмотки силового трансформатора

2 электронным ключом 1 обесточивается. При этом запирание электрон12 использован для обеспечения электропитанием реле устройств электрорадиоавтоматики, от надежности срабатывания которых и от исключения ложных срабатываний от помех зависит надежность функционирования управляемых ими систем, например телеуправляемых средств, а также для питания вычислительных устройств anI паратуры связи с низким уровнем помех, аппаратуры звукозаписи и воспроизведения с высоким качеством звучания и т.п.

Формула изобретения

1. Стабилизирующий источник постоянного напряжения, содержащий электронный ключ, силовой трансформатор-, ко вторичной обмотке которого подключен выпрямитель со сглаживающим фильтром, регулирующий элемент, последовательно включенный в ,одну из его выходных шин, блок уп(равления регулирующим элементом, вход которого подключен к выходным выводам, а выход — к управляющему входу регулирующего элемента и блок управления электронным ключом, вход которого подключен параллельно регулирующему элементу, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью уменьшения уровня помех, в него введены логическая схема И и синхронизатор . переключений электронного ключа, включающий мостовой выпрямитель, компаратор напряжений. и расширитель импульсов, при этом диагональ переменного тока мостового выпрямителя включена последовательно между входным выводом и первичной обмоткой силового трансформатора, электронный ключ включен последовательно,. в диагональ постоянного тока мостового выпрямителя, подключенную ко входу компаратора напряжений, соединенного выходом со входом расширителя импульсов, причем логическая схема И подключена своими входами к выходам, соответственно, блока управления электронным ключом и расширителя импульсов, а выходом — к управляющему входу электронного ключа.

2. Источник по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что электронный ключ выполнен на тиристоре.

3. Источник по и. 1, о т л и чающий с я тем, что блок

11 935905 ного ключа l осуществляется в момент обращения в нуль текущего значения напряжения питающей сети и поэтому не ведет к скачкам напряжения на силовом трансформаторе 2, что 5 практически исключает возникновение помех при запирании электронного ключа !. Он не может затем отпереться все это время, пока от блока 6 управления электронным ключом на 10 один вход логической схемы 12 И поступает низкий выходной потенциал логической схемы 8 КЕ, так как все приходящие за это время на ее другой вход синхронизирующие импульсы !5 с выхода расширителя 11 импульсов не проходят на ее выход, а значит с ее выхода на управляющий вход электронного ключа 1 не поступают отпирающие импульсы. В результате обесточивания силового трансформатора

2 прекращается подача с него питающего напряжения на выпрямитель 3, поэтому его конденсатор фильтра не подзаряжается, а разряжается током нагрузки, подключенной к выходным зажимам. Когда в результате действия этого тока падение напряжения на регулирующем элементе 4 становится меньше пороговой величины, на выходе триггера 7 Шмитта скачком устанавливается низкий потенциал. Соответственно в результате его инвертирования с выхода логической схемы 8 HE на один вход логической схемы 12 И

35 снова подается высокий потенциал.

И тогда с приходом на ее другой вход очередного синхронизирующего импульса от расширителя 11 импульсов с выхода логической схемы l2 И на управляющий вход электронного ключа 1 поступает отпирающий импульс. Электронный ключ 1 отпирается с началом нарастания от нуля положительного пульсирующего напряжения, приложенно45 го между его анодом и катодом, и через него подключается к питающей сети силовой трансформатор 2 без скачкообразных изменений напряжения на его первичной и вторичной обмотках, причем по той же, указан50 ной ранее цепи, что и до размыкания.

Далее работа стабилизирующего источника постоянного напряжения циклически повторяется.

При достигнутом положительном эффекте предложенный стабилизирующий источник постоянного напряжения может быть

13 управления электронным ключом включает в себя последовательно соединенные триггер Шмитта и логическую схему НЕ.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Грейвер Е. С. Ключевые стабилизаторы напряжения посто935905 l4 . яннаго тока . М., 1970, с. 12 рис. 16а.

2. Приборы и техника эксйерименю та", 1974, If 1, с 155-156.

3. Патент Франции Г 1526071, кл. Н 02 М, 1970.

Составитель Е. Финогенов

Редактор Л. Повхан Техред И.Тепер Корректор И. Коста

Заказ 210/50 Тираж 9Й Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытйй

I13035, Москва, N-35, Раувская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,