Импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

N АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскид

Социалистических республик

«i>983679 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 08 ° 07 ° "1 (21) 3312238/24-07 с присоединением заявки ¹вЂ” (23) ПриоритетОпубликовано 231282.Бюллетень ¹ 47

Дата опубликования описания 23 ° 12 ° 82 (И1М. Кп.э

G 05 F 1/56

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (Щ УДК 621. 316 ° . 722. 1 (088. 8) В. И. Сазонов, B. H. Куликов и И. И;. Козырев (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к вторичным источникам электропитания устройств электронной техники.

Известен стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий инвер= тор вольтдобавки, вход которого связан с входом стабилизатора, а выход через полностью управляемый выпрямитель и фильтр включен последовательно с входом и подключен к выходньм шинам стабилизатора, связанным через блок сравнения с опорным напряжением, с:первыми входами двух компараторов, вторые входы которых подключены к 15 выходам двух синхронизированных генераторов раэнополярного напряжения, а выводы .подключены соответственно к управляющим входам инвертора вольтдобавки и управляемого выпрямителя)1). 2О

Известный стабилизатор напряжения имеет увеличенные габариты фильтра на выходе инвертора из-за необходимости сглаживания пульсаций преры вистого тока на выходе выпрямителя. 25

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизатор напряжени постоянного тока, содержащий ключевой импульсный регулятор с DLC-фильтром, выход которого подключен к двухтактному транзисторному усилителю мощности, выход которого подключен к двухполупериодному диодному выпрямителю с конденсатором фильтра, подключенному последовательно с входным источником первичного постоянного напряжения к выходным клеммам, связанным с задающим автогенератором на транзисторах, связанным с усилителем мощности, и узлом сравнения выходного напряжения с эталонным, выход которого через последовательно соединенные формирователь пилообразного и формирователь широтно-импульсного сигнала связан с управлякщим входом .ключевого импульсного регулятора 2 .

В известном стабилизаторе напряжения обеспечивается формирование напряжения "вольтдобавки" к входному напряжению сети. Величина напряжения

"вольтдобавки" регулируется таким образом, чтобы уровень суммарного напряжения на выходе устройства оставался постоянным при изменении уровня напряжения на входе. При отклонении выходного напряжения от задан- ного изменяется сигнал на выходе узла сравнения, что приводит к смещению уровня пилообразного напряжения

983679

40 и изменению длительности широтноимпульсного сигнала на входе ключевого импульсного регулятора. С увеличением напряжения на входе стабилизатора напряжение на выходе импульсного регулятора уменьшается, соответственно уменьшается напряжение на выходе усилителя мощности и напряжение вольтдобавки.

В известном стабилизаторе осуществляется частичное преобразование мощности нагрузки, за счет чего снижаются потери мощности в нем.

Недостатком известного стабилизатора напряжения является наличие потерь мощности в автогенераторе и в трансформаторном усилителе мощности, обеспечивакщем инвертирование напряжения "вольтдобавки", а также увеличенные габариты .его из-за больших габаритов трансформаторов.

Цель изобретения — увеличение 20

КПД стабилизатора при одновременном уменьшении его габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный стабилизатор напряжения постбянного тока, содержащий включенный последовательно в силовую шину ключевой регулирующий элемент, DLC-фильтр, блок сравнения выходного напряжения с эталонным, выходом соединенный через формирователь пилообразного напряжения и формирователь широтно-импульсного сигнала с управляющим входом импульсного регулирукщего элемента, задающий генератор, выходом подключенный к формирователю пилообразного напряжения, двухтактный усилитель мощности, к общей точке эмиттеров двух силовых транзисторов которого подключен через дроссель выход ключевого регулирующего элемента и выпрямитель, включенный на выходе стабилизатора, введены дополнительный конденсатор DLC-фильтра, триггер, дифференциальная пара и-р-и транзисторов, три резистора, ключевой транзистор имеет и-р -и проводимость, в качестве выпрямителя используется двухполупериодная диодная мостовая схема, а усилитель мощности выполнен по мостовой схеме на четырех составных парах транзисторов, причем коллекторы силовых п-р-и транзисторов третьей и четвертой составной пары соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов и подключены к положительной ши- 55 не питания, их эмиттеры через основной и дополнительный конденсаторы

DLC-фильтра подключены к соответствующим выводам диагонали переменного тока двухполупериодной диодной мосто- ф) вой схемы выпрямителя и непосредствторой резисторы соединены с противоположными базами силовых и-р-п транзисторов третьей и четвертой составных пар, подключенных к коллекторам соответствующих дополнительных р-и-р транзисторов, базы которых подключены к соответствующим коллекторам п-р-и транзисторов дифференциальной

Ьары, эмиттеры которых через третий резистор соединень| с отрицательной шиной, а базы подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого подключен к выходу задакщего генератора, и запускающему входу формирователя пилообразного напряжения, дополнительно связанного с входом и выходом стабилизатора.

Кроме того, в качестве резисторов используют полевые транзисторы, затвор и исток которых объединены и являются одним выводом резистора, а сток — другим выводом резистора.

На чертеже изображена принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения постоянного тока.

Стабилизатор содержит задающий генератор 1, выход которого подключен к счетному входу триггера 2 и запускающему входу формирователя 3 пилообразного напряжения, управляющие входы которого соединены с входными положительной 4 и отрицательной 5 шинами питания, выходными 6 выводами и выходом узла 7 сравнения выходного напряжения стабилизатора с эталонным, также связанного с выходными клеммами 6.

Вырсод формирователя 3 пилообразного напряжения подключен через формирователь 8 широтно-импульсного сигнала к базе ключевого и-р-и транзистора 9, эмиттер которого связан с отрицательной шиной 5 питания, а коллектор через анод-катод диода 10 — с положительной шиной 4 питания, а через дроссель 11 DLC-фильтра — с эмиттерами силовых и-р-и транзисторов 12 первой 13 и второй 14 составной пар, базы дополнительных п-р-и транзисторов 15 которых соединены через токовые резисторы на полевых транзисторах

16 с базами силовых п-р -п транзисторов 12 и коллекторами дополнительных р-и-р транзисторов 17 противоположных четвертой 18 и третьей 19 составных пар, эмиттеры дополнительных р-п-р 17 и коллекторы силовых и-р-и 12 транзисторов которых объединены и подключены к положительной шине 4 питания, эмиттеры их основных п-р -и транзисторов

12 подключены к коллекторам силовых

12 п-р-и транзисторов, соответственно второй 14 и первой 13 составных венно — к соответствующим. коллекторам и-р-и транзисторов первой и второй составных пар, базы дополнительных транзисторов которых через первый и пар и через основной 20 и дополнительный 21 конденсаторы DLC-фильтра под,ключены к соответствующим выводам диагонали переменного тока двухполу983679

Предложенный способ получения напряжения "вольтдобавки" позволяет отказаться.от применения трансформатора в выходном усилителе мощности снизить мог ность, затрачиваемую на переключение его транзисторов и повысить частоту преобразования. Время переключения (выключения) выходных транзисторов 12 усилителя мощности периодной диодной мостовой схемы выпрямителя 22, а базы их дополнительных р-и-р транзисторов 17 — к коллекторам л-р-и транзисторов 23 дифференциальной пары, змиттеры которых череэ третий токовый резистор на полевом 5 транзисторе 24 соединены с отрицательной шиной 5 питания, а базы подклю чены к прямому и инверсному выходу триггера 2. Положительная шина 4 питания соединена с положительной вы- EO ходной клеммой 6 через анод-катод диодного моста 22.

Кроме того, затворы и истоки каждого иэ полевых транзисторов 16 и 24 попарно объединены и являются одним Е5 выводом полевых транзисторов, а их стоки — другим выводом указанных резисторов.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом. 20

При подаче входного напряжения задающий генератор 1 начинает вырабатывать импульсы, запускающие генератор 3 пилообразного напряжения и триггер 2. На выходах триггера 2 появляется противофазный сигнал, который обусловливает поочередное включение и-р-и транзисторов 23 дифференциальной пары, ток коллектора которых определяется величиной выходного напряжения триггера 2 и третьего резистора на полевом транзисторе 24.

Коллекторный ток транзисторов 23 обеспечивает поочередное включение транзисторов третьей 19- и четвертой

18 составных пар и через токостабили: зирующие резисторы 16 соответствукщее включение транзисторов второй 14 и первой 13 составных пар.

Входное напряжение питания через 4П

1 прямое сопротивление диодного моста

22 поступает на выход устройства и вход узла 7 сравнения, на выходе которого появляется управляющий сигнал, обусловливающий формирование пилообразного напряжения с минимальной скоростью нарастания и включающего широтно-модулированного сигнала с максимальной длительностью импульса включения ключевого транзистора 9. Ток в дросселе 11 возрастает.

Мостовой двухтактовый усилитель мощности обеспечивает последовательное переключение тока дросселя 11 на заряд основного или дополнительного конденсаторов DLC-фильтра от входного напряжения через соответствующий диод моста 22 и составную пару 13 или 14 транзисторов. Во вторую половину периода переключения обеспечивается поочередное подключение и разряд основ= @ ного 20 или дополнительного 21 конденсаторов к нагрузке по цепи третьего 19 или четвертого 18 составных транзисторов и одного из плеч диодного моста 22. Когда ток дросселя (эа- 65 ряда конденсаторов) превышает ток нагрузки (раэряда конденсатора), напряжение на конденсаторах 20 и 21 и выходе устройства начинает возрастать и достигает установленного значения, при этом изменением сигнала на выходе узла 7 сравнения приводит к увеличению длительности широтномодулированного сигнала и времени включения ключевого транзистора 9.

Ток в дросселе стабилизируется на уровне тока нагрузки, а выходное напряжение — на заданном уровне. В установившемся режиме в предлагаемом устройстве ток заряда основного 20 и дополнительного 21 конденсаторов

DLC-фильтра равен току их разряда, имеет практически постоянную величину, равную току нагрузки, а величина напряжения на конденсаторе равна разнице между входным и выходным стабилизированным напряжением. Величина емкости конденсаторов 20 и 21 фильтра определяется иэ допустимого напряжения пульсации выходного на4 пряжения ДО.— С при заданных значениях тока нагрузки Э„и частоты

f работы задающего генератора. При изменении напряжения на входе стабилизатора изменяется напряжение на его выходе, при этом соответственно изменяются длительность импульсов включения транзистора 9, средний ток через дроссель 11 и среднее значение напряжения на конденсаторах 20 и 21 фильтра. Процесс вновь устанавливается, когда напряжение на выходе стабилизатора становится равным заданному, а ток через дроссель — равным току нагрузки.

В устройстве формирование выходного напряжения осуществляется путем поочередного включения основного 20 и дополнительного 21 конденсаторов

DLC-фильтра, заряженных до требуемого значения напряжения "вольтдобавки", последовательно с источником входного напряжения.

Связь формирователя 3 пилообразного напряжения с входными и выходными шинами преобразователя позволяет осуществить коррекцию скорости нарастания пилообразного йапряжения и длительности импульсного включения тран» эисторов 9 при изменении входного и выходного напряжений.

983б79 в данном устройстве может быть сведе." но к минимальной величине, так как в верхних составных парах 18 и 19 они работают но схеме с общим кол-. лектором, а в составных парах 13 и 14 степень их насыщения, благодаря стабилизации входного тока на нижнем уровне, неглубока.

Таким образом, частота переключе,ния плеч мостового усилителя мощнос- ти ограничивается лишь частотными свойствами диодного моста и может составлять для современных кремниевых диодов (транзисторов) срецней мощности 100-200 кГц, в то время как в известном устройстве максимальная частота переключения не может бь:ть выше 20-50 кГц, так как с повышением частоты увеличивается асимметрия полупериодов переключения в трансформаторном задающем автогенераторе, приводящая к появлению постоянной составляющей в выходном трансформаторе и увеличению его габаритов.

Кроме того, на указанных частотах потери мощности в автогенераторе и на фронтах переключения транзисторов усилителя мощности становятся значительными, что приводит к уменьшению до 50-70% КПД устройства.

Включение дросселя 11 в эмиттерные цепи транзисторов усилителя мощности позволяет устранить броски сквозного" тока в моменты переключения транзисторов и дополнительно снизить динамические потери мощности, так как ток через выключаемый транзистор не может превысить величины тока дросселя, а напряжение на нем остается незначительным из-за большого сопротивления дросселя.

Сравнительные испытания лабораторного макета стабилизатора напряжения постоянного тока, выполненного с использованием предлагаемого и известного технических решений, показали, что при одинаковых параметрах стабилизированного выходного напряжения (ток, амплитуда, пульсации) и максимально возможной для известного устройства частоте преобразования по: рядка 30 кГц КПД предлагаемого устройства составляет около 85% вместо

65 для известного, а объем конденсаторов фильтра лишь незначительно (на 30-50%) превышает объем конденсаторов фильтра в известном. С увеличением частоты преобразования до

100 кГц объем конденсаторов и дросселя фильтра в предлагаемом устрой-: стве уменьшается в 2-3 раза, а КПД его остается выше (70-75-.), чем в известном.

Кроме того, предлагаемое устройство не критично к короткому замыканию в цепи нагрузки и не создает электромагнитных помех при работе за счет устранения бросков "сКвозного" тока в моменты коммутации. формула изобретения

Импульсный стабилизатор напряже.ния постоянного тока, содержащий включенный последовательно в силовую шину ключевой регулирующий элемент, п Ш.С-фильтр, блок сравнения выходного напряжения с эталонным, выходом соединенный через формирователь пилообразного напряжения и формирователь широтно-импульсного сигнала с управ.5 ляющим входом ключевого регулирующего элемента, задающий генератор, выходом подключенный к формирователю пилообразного напряжения, двухтактный усилитель мощности, к общей точке эмиттеров,цвух силовых транзисторов которого подключен через дроссель выход ключевого регулирующего элемента и выпрямитель, включенный на выходе стабилизатора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения

КПД стабилизатора при одновременном уменьшении его габаритов, в него введены дополнительный конденсатор DLCфильтра, триггер, дифференциальная пара п-р-п транзисторов, три резистоЗО ра, ключевой транзистор имеет и-р-и проводимость, в качестве выпрямителя используется двухполупериодная диодная мостовая схема, а усилитель мощности выполнен по мостовой схеме на

35 четырех составных парах транзисторов, причем коллекторы силовых п-р-п транзисторов третьей и четвертой составной пары соединены с эмиттерами соответствующих дополнительных р-п-р тран ф зисторов и подключены к положительной шине питания, их эмиттеры через основной и дополнительный конденсаторы

DLC-фильтра подключены к соответствующим выводам диагонали переменного

@5 тока двухполупериодной диодной мостовой схемы выпрямителя и непосредственно к соответствующим коллекторам и-р-и транзисторов первой и второй составных пар, базы дополнительных транзисторов которых через первый и второй резисторы соединены с противоположными базами силовых и-р-п транзисторов третьей и четвертой составных пар, подключенных к коллекторам соответствующих дополнительных р-п-р транзисторов, базы которых подключены к соответствующим коллекторам п-р-п, транзисторов дифференциальной пары, эмиттеры которых через третий резистор соединен с отрицательной шиной, а базы подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого подключен к выходу задающего генератора и запускающему входу формирова65 теля пилообразного напряжения, допол983679

Составитель О. Мещерякова

Редактор A. Козориз ТехредМ.Гергель Корректор Н. Буряк

Заказ 9922/57 Тираж 914 Подпис ное

ВНИИИИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 нительно связанного с входом и выходом стабилизатора.

2. Стабилизатор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем,,что в качестве резисторов используют полевые тран зисторы, затвор и исток которых объединены и являются одним выводом резистора, а сток " другим выводом резистора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 794622, кл. С 05 F 1/56, 1980, 5

2. Грейвер Е. С. "Ключевые стабилизаторы напряжения постоянного тока.

M. "Связь", 1970, с. 109, рис. 7.3.