ОДНОТАКТНЫЙ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым транзисторным преобразователям, использующимся в качестве источников вторичного электропитания с электрической изоляцией выходного напряжения от первичного.

Известны однотактные стабилизирующие преобразователи постоянного напряжения, у которых отсутствуют устройства для измерения и контроля напряжения первичного источника, а стабилизация выходного напряжения обеспечивается и при невысоких значениях напряжения первичного источника [1] . Недостатком их является невысокая надежность работы и возможные отказы силового транзисторного ключа при малых уровнях напряжения первичного источника.

Известны также однотактные стабилизирующие преобразователи напряжения, у которых импульсная работа силового транзисторного ключа исключается, если напряжение первичного источника мало. Здесь схема управления начинает работать только после получения сигнала разрешения от пороговой схемы, осуществляющей измерение и контроль напряжения первичного источника [2] . Недостатком этого устройства является невысокая надежность работы при медленных изменениях - на этапе включения и выключения преобразователя, напряжения первичного источника, вблизи порога срабатывания контрольной схемы, а также при существенном внутреннем сопротивлении первичного источника.

Наиболее эффективными являются однотактные преобразователи, у которых пороги включения преобразователя (в момент подачи напряжения первичного источника) и выключения (при снятии первичного напряжения) различны по уровню и задаются параметрически пороговой схемой [3] . Причем напряжение включения всегда больше напряжения выключения и определяется заданным гистерезисом. Это позволяет исключить автоколебательные процессы при пуске (включении) и выключении преобразователя, что особенно существенно необходимо при медленных изменениях напряжения первичного источника или при его значительном внутреннем сопротивлении. Такие устройства повышают надежность работы преобразователя и позволяют исключить отказы силовых транзисторов в переходные моменты пуска и выключения преобразователя. Это техническое решение является наиболее близким по технической сущности к предложенному.

Недостатком подобного преобразователя постоянного напряжения является ограниченная функциональная возможность применения в современных высокоэффективных системах вторичного электропитания. Это обусловлено невозможностью плавной регулировки порогов контрольной схемы, относительной сложностью схемы и недостаточной стабильностью напряжения питания схемы управления, так как опорные элементы пороговой схемы невозможно использовать для питания схемы управления.

Целью изобретения является устранение этого недостатка, а именно расширение функциональных возможностей применения известных однотактных стабилизирующих преобразователей за счет упрощения схемы, получения возможности плавной регулировки порогов гистерезиса, а также использования опорного элемента для получения стабильного напряжения питания схемы управления.

Указанная цель достигается тем, что в схеме однотактного преобразователя пороговый транзистор сравнивает напряжение на стабилитроне с выходным напряжением делителя напряжения, подключенного к первичному источнику, а выход порогового транзистора через первый КМОП логический инвертор управляет работой одновибраторов. Кроме того, первый конденсатор RC времязадающей цепи заряжается через источник тока, управляемый фототранзистором оптопары, а второй конденсатор второй RC времязадающей цепи заряжается через резистор, соединенный с первичным источником. С выхода порогового транзистора сигнал через второй КМОП логический инвертор управляет работой формирующего транзистора, подключенного параллельно формирующему конденсатору, замедляющему увеличение скважности переключающих импульсов силового транзисторного ключа при разряженных конденсаторах выходного фильтра.

На фиг. 1 приведена схема однотактного преобразователя, соответствующая п. 1 формулы изобретения; на фиг. 2 - соответствующая п. 2; на фиг. 3 - временные диаграммы работы схемы.

Преобразователь (см. фиг. 1) содержит силовой транзисторный ключ 1, в коллекторную цепь которого включена первичная обмотка силового трансформатора 2, вторичной обмоткой через выпрямитель 3 и фильтр 4 соединенного с нагрузкой и со входами схемы сравнения 5. Выход ее соединен со светодиодом 6 оптопары. Параллельно коллектору и эмиттеру фототранзистора 7 подключен шунтирующий резистор 8, а точка его соединения с эмиттером подключена к базе управляющего транзистора 9 и через открывающий резистор 10 - к общему полюсу схемы. Эмиттер транзистора 9 через управляющий резистор 11 соединен с коллектором фототранзистора 7, а коллектор - с времязадающим входом одновибратора 12, анодом второго разделительного диода 13 и через первый конденсатор 14 - с общим полюсом схемы. Катод диода 13 соединен с катодом первого разделительного диода 15 и с выходом первого КМОП логического инвертора 16, вход которого подключен к коллектору порогового транзистора 17, эмиттером соединенного с катодом стабилитрона 18 и через балластный резистор 19 - с потенциальным полюсом первичного источника, а анод стабилитрона 18 подключен к общему полюсу схемы. Между потенциальным полюсом первичного источника и общим полюсом схемы включен делитель напряжения, состоящий из последовательного соединения первого 20 и второго 21 резисторов, точка соединения которых подключена к базе транзистора 17 и через резистор гистерезиса 22 - к аноду диода 15.

Второй конденсатор 23 первым выводом соединен с времязадающим входом второго одновибратора, анодом ограничивающего диода 25 и первым выводом времязадающего резистора 26, второй вывод которого подключен к потенциальному полюсу первичного источника, а катод диода 25 - к катоду стабилитрона 18 и коллектору фототранзистора 7. Инверсный выход первого одновибратора 12 подключен к управляющему входу второго одновибратора 24, инверсный и прямой выходы которого соединены с управляющими входами силового транзисторного ключа 1. Управляющий вход одновибратора 12 подключен к прямому выходу одновибратора 24. Питающие входы инвертора 16 и одновибраторов 12 и 24 подключены к катоду и аноду стабилитрона 18.

Схема преобразователя по фиг. 2, в дополнение к изложенному, содержит второй КМОП логический инвертор, вход которого соединен со входом первого инвертора 27, а выход через базовый резистор 28 подключен к базе разрядного транзистора 29. Эмиттер его соединен с катодом стабилитрона 18 и первым выводом формирующего конденсатора 30, второй вывод которого подключен к коллектору транзистора 29 и аноду формирующего диода 31, катодом соединенного с базой транзистора 9. Питающие входы инвертора 27 подключены к катоду и аноду стабилитрона 18. На фиг. 3 изображены эпюры: 32 - напряжение первичного источника; 33 - напряжение на стабилитроне 18; 34 - входное напряжение инверторов 16 и 27, являющееся напряжением на коллекторе транзистора 17; 35 - выходное напряжение инвертора 16 (или 27); 36 - модуль напряжения на конденсаторе 30; 37 - напряжение на инверсном выходе одновибратора 24, причем наличие импульса на этой эпюре соответствует открытому состоянию транзисторного ключа 1, а отсутствие - запертому его состоянию.

Однотактный стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения по схеме фиг. 1 работает следующим образом.

В момент времени t_o (см. эпюру 32 временных диаграмм фиг. 3) к преобразователю подключается напряжение первичного источника и начинает увеличиваться по определенному закону. Одновременно с этим, начинает увеличиваться напряжение на стабилитроне 18 в соответствии с эпюрой 33 фиг. 3. Так как напряжение стабилизации Е_в стабилитрона 18 гораздо меньше, чем установившееся напряжение Е_п первичного источника, то процесс установления напряжения Е_в, которое является напряжением питания схемы управления, заканчивается существенно раньше, чем установление напряжения Е_п. Поэтому напряжение питания Е_в схемы управления появляется раньше, и она начинает работать.

Сопротивления резисторов 20, 21, и 22 выбраны таким образом, что пока напряжение первичного источника не достигнет значения Е_пвкл, напряжение на базе транзистора 17, то есть на выходе делителя напряжения, не превышает напряжения стабилизации стабилитрона 18 (значения Е_в). Транзистор 17 на протяжении этого этапа времени открыт, и на его коллекторе напряжение примерно равно напряжению Е_в, что эквивалентно наличию единичного уровня на входе инвертора 16 (см. эпюру 34 фиг. 3). Так напряжение питания схемы управления существует, на выходе инвертора 16 будет низкий (нулевой) уровень напряжения, что показано на эпюре 35 фиг. 3. Такое состояние схемы длится до момента времени t₁. При этом открыт диод 15 и резистор 22 подключается параллельно резистору 20, чем формируется пороговый уровень напряжения включения преобразователя. Вместе с этим, открыт диод 13 и первый конденсатор 14 шунтируется через этот диод и нулевое состояние выхода инвертора 16.

Схема генератора на двух одновибраторах 12 и 24 работает таким образом, что шунтирование конденсатора 14 формирует интервал (паузу) между импульсами переключения силового транзисторного ключа 1, то есть при разряженном состоянии конденсатора 14 на управляющих входах ключа 1 присутствует такой импульсный сигнал, который приводит к его запертому состоянию (см. эпюру 37 временных диаграмм фиг. 3). Следовательно, на протяжении наличия нулевого уровня напряжения на выходе инвертора 16 силовой транзисторный ключ 1 заперт и включение преобразователя при малых напряжениях первичного источника исключено.

В момент времени t₁ напряжение первичного источника достигает значения Е_пвкл, которое соответствует примерному равенству напряжений на базе транзистора 17 и на стабилитроне 18. Транзистор 17 запирается, напряжение на его коллекторе исчезает, пропадает и единичный сигнал на входе инвертора 16, а на его выходе появляется единичный уровень напряжения (см. эпюры 34 и 35 фиг. 3). Это приводит к запиранию диода 15 и отключению резистора 22 от делителя напряжения 20 и 21, чем снижается напряжение срабатывания пороговой схемы. Таким образом, если в момент t₁ включения преобразователя произойдет уменьшение величины первичного напряжения, например, за счет внутреннего сопротивления первичного источника, то выключения преобразователя не произойдет из-за сниженного уровня срабатывания пороговой схемы.

Кроме того, увеличение напряжения на выходе инвертора 16 приводит к запиранию диска 13, чем исключается шунтирование конденсатора 14. Он начинает заряжаться через транзистор 9 и резистор 11. Его заряд определяет формирование паузы между импульсами управления силовым транзисторным ключом 1. Причем, после наступления момента времени t₁, т. е. срабатывания пороговой схемы, силовой транзисторный ключ 1 остается запертым, а его включение произойдет только после формирования генератором паузы (эпюра 37 временных диаграмм фиг. 3), длительность которой определяется схемой сравнения или иными формирующими цепями.

Когда напряжение на конденсаторе 14 достигнет уровня включения одновибратора 12, его выходной сигнал с инверсного выхода переключит инвертор 24. Начинается формирование длительности управляющего импульса, конденсатор 23 заряжается через резистор 26 от напряжения первичного источника. После его заряда до уровня включения одновибратора 24 одновибратор 12 сигналом с прямого выхода одновибратора 24 переключается в первоначальное состояние и начинается заряд конденсатора 14, формирующего паузу между импульсами. Далее процессы переключения одновибраторов происходят аналогично.

После нескольких циклов включения и выключения силового транзисторного ключа 1, вследствие которых образуются импульсы его коллекторного тока и, соответственно, тока первичной обмотки силового трансформатора 2, напряжение через выпрямитель 3 и фильтр 4 появляется на нагрузке U_н на входе схемы управления 5. Она сравнивает напряжение U_н с опорным Е_оп и вырабатывает сигнал рассогласования, управляющий током через светодиод 6 оптопары. С увеличением (уменьшением) напряжения U_н ток через светодиод 6 увеличивается (уменьшается), обусловливая его соответствующее свечение. В частности, в режиме пуска, когда выходное напряжение U_н преобразователя мало, ток через светодиод и его свечение отсутствуют. Фототранзистор 7 будет заперт. При увеличении напряжения U_н появляется ток через светодиод 6, что будет приводить к приоткрыванию фототранзистора 7 и шунтированию входа транзистора 9.

При запертом состоянии фототранзистора 7 напряжение на входе транзистора 9 определяется соотношением величин сопротивления резисторов 8 и 10. При этом напряжение на резисторе 11 примерно равно напряжению на резисторе 8, а ток заряда конденсатора 14 прямо пропорционален последнему. Следовательно, при запертом состоянии фототранзистора 7 напряжение на резисторе 8 (на входе транзистора 9) максимально, а, значит, максимально и напряжение на резисторе 11, что приводит к максимальному току заряда конденсатора 14 и, соответственно, к минимальному времени его заряда до заданного уровня включения одновибратора 12. Увеличение тока через светодиод 6 приводит к приоткрыванию фототранзистора 7, частичному шунтированию резистора 8, уменьшению напряжения на резисторе 11 и уменьшению тока заряда конденсатора 14. Это обусловливает снижение скорости его заряда и увеличение времени нарастания напряжения на нем до заданного уровня включения одновибратора 12. Следовательно, уменьшение выходного напряжения преобразователя и соответствующее увеличение тока через светодиод 6 приводит к увеличению длительности паузы между импульсами управления силовым транзисторным ключом 1. А это вызывает снижение выходного напряжения преобразователя. Таким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения преобразователя.

Если формирование длительности паузы между рабочими импульсами генератора осуществляется по сигналу обратной связи канала замкнутой системы автоматического регулирования, то формирование длительности рабочего импульса выполняется по сигналу возмущения со стороны величины напряжения первичного источника. Ток заряда конденсатора 23, формирующего длительность рабочего импульса, определяется величиной сопротивления резистора 26, подключенного к потенциальному полюсу первичного источника. Увеличение напряжения первичного источника приводит к увеличению тока заряда конденсатора 23, а это ускоряет его заряд до заданного напряжения включения одновибратора 24 и, следовательно, уменьшает длительность рабочего импульса и сокращает длительность открытого состояния силового транзисторного ключа 1. Известно, что для однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода такая зависимость длительности импульса открытого состояния силового транзистора от напряжения первичного источника приводит к свойству параметрической стабилизации по возмущению со стороны напряжения первичного источника. Следовательно, формирование длительности рабочего импульса обеспечивает свойство параметрической стабилизации. Для стабилизирующих однотактных преобразователей с обратным включением диода весьма трудными являются вопросы обеспечения устойчивости замкнутой системы стабилизации при широких диапазонах изменения нагрузки, напряжения первичного источника, температуры окружающей среды, параметров элементов и т. п.

Увеличение коэффициента усиления по замкнутому контуру, которое требуется для обеспечения заданной стабильности выходного напряжения, вызывает зачастую потерю устойчивости, а снижение его, для обеспечения устойчивости, не дает возможности получить требуемую стабильность выходного напряжения. Введение канала параметрической стабилизации позволяет снизить значение коэффициента усиления в замкнутой системе стабилизации или получить достаточную стабильность выходного напряжения при малых величинах коэффициента усиления системы, так как все возмущения со стороны напряжения первичного источника компенсируются заданной функциональной зависимостью длительности рабочего импульса. Диод 25 служит для ограничения напряжения на времязадающем входе одновибратора 24 до напряжения стабилизации стабилитрона 18, то есть до напряжения питания схемы управления.

В момент времени t₂ начинается снижение напряжения первичного источника (эпюра 32 фиг. 3). До этого времени напряжение на базе транзистора 17 больше, чем напряжение стабилизации стабилитрона 18. Затем напряжение на базе транзистора 17 снижается и он включается в момент времени t₃. На его коллекторе появляется напряжение логической единицы, которое вызывает переключение инвертора 16 в нулевое состояние выхода.

Конденсатор 14 через диод 13 разряжается (если он заряжался) и выходные импульсы одновибратора 24 приводят к запиранию силового ключа. Одновременно с этим, открывается диод 15 и порог срабатывания схемы контроля увеличивается со значением Е_пвыкл до Е_пвкл. Таким образом, если после выключения преобразователя напряжение первичного источника увеличится, то повторного включения преобразователя не произойдет (при правильно выбранных порогах и напряжении гистерезиса). Этим исключаются автоколебательные процессы выключения преобразователя и повышается надежность его работы.

Однотактный преобразователь по схеме фиг. 2 работает следующим образом.

Все элементы схемы, описанные выше, работают аналогично, кроме формирования плавной характеристики пуска преобразователя. На интервале времени от t_o до t₁, когда на коллекторе транзистора 17 присутствует единичный уровень напряжения (эпюра 34 фиг. 3), на входе второго инвертора 27 также имеется логическая единица, что обусловливает на его выходе наличие логического нуля или низкого уровня напряжения. Это вызывает появление базового тока транзистора 29, ограничиваемого резистором 28. Транзистор 29 открыт и шунтирует вход транзистора 9 и конденсатор 30, который разряжается, если ранее он был заряжен. После наступления момента времени t₁ на выходе инвертора 27 появляется высокий уровень напряжения и базовый ток транзистора 29 прекращается. Он запирается, а это приводит к появлению возможности заряда конденсатора 30. Конденсатор 30 заряжается через резистор 10 и напряжение на нем увеличивается примерно по линейному закону (эпюра 36 временных диаграмм фиг. 3). Увеличение этого напряжения приводит к увеличению напряжения на входе транзистора 9, которое, в свою очередь, обусловливает увеличение напряжения на резисторе 11 и тока через него, являющегося током заряда конденсатора 14.

В первоначальный момент пуска (включения) преобразователя, когда выходные конденсаторы фильтра 4 разряжены, а преобразователь начинает работать, через светодиод 6 ток не идет и фототранзистор 7 заперт. Система автоматического регулирования стремится как можно быстрее повысить выходное напряжение, а для этого необходимо иметь минимальную длительность паузы между рабочими импульсами генератора. При этом возможно увеличение амплитуды импульсов тока коллектора силового транзисторного ключа свыше заданной нормированной величины. Конденсатор 30, заряжаемый через резистор 10, позволяет сформировать безопасную пусковую характеристику преобразователя, которая будет параметрически ограничивать амплитуду импульса тока коллектора силового ключа 1.

После снижения первичного напряжения до порога выключения преобразователя, когда появляется сигнал логической единицы на входе второго инвертора 27, транзистор 29 открывается и заряженный конденсатор 30 разряжается, дополнительно образуя цепь для увеличения длительности интервала между рабочими импульсами. Вместе с этим, гарантированно обеспечивается формирование пусковой характеристики преобразователя при кратковременном пропадании напряжения первичного источника и последующим быстрым появлением этого напряжения с крутым фронтом.

Таким образом, формирование плавной характеристики пуска преобразователя обеспечивается не только при включении напряжения первичного источника, но и при кратковременных его пропаданиях.

Изобретение дает возможность плавно при помощи резисторов 20,21 и 22 задавать пороги включения и выключения преобразователя и напряжение гистерезиса пороговой схемы и использовать ее опорный элемент - стабилитрон 18, для питания схемы управления. Вместе с этим, использование заряда второго конденсатора RC времязадающей цепи одновибратора 24 от напряжения первичного источника позволяет получить свойство параметрической стабилизации преобразователя. Кроме того, в устройстве реализуется формирование плавной пусковой характеристики как при включении преобразователя, так и при кратковременном пропадании первичного напряжения.

В качестве логических инверторов 16 и 27 целесообразно использование КМОП ИС с открытым стоком, например 564ЛА10, которые обладают минимальным энергопотреблением по сравнению с КМОП ИС, имеющими двухтактный выходной каскад. Для нормального функционирования описанной схемы инверторы с открытым стоком более целесообразны, так как в единичном состоянии этих инверторов ток от них не потребляется, то есть они работают на втекающий выходной ток нулевого выходного состояния. В качестве одновибраторов 12 и 24 целесообразно также использование КМОП ИС, например, типа 564АГ1, обладающей также минимальным энергопотреблением. Использование этих ИС дает возможность получить токопотребление описанной схемы управления от первичного источника в пределах 0,5-2,0 мА при частоте преобразования 100-600 кГц. (56) 1. Патент N 1-170369, кл. H 02 M 3/28, 1989.

2. Сидоров И. Н. , Биннатов М. Ф. , Васильев Е. А. Устройства электропитания бытовой РЭА. Справочник, М. , Радио и связь, 1991, с. 224, рис. 4.9.

3. Авторское свидетельство СССР N 1257788, кл. H 02 M 7/538, 1987.

Использование: силовая преобразовательная техника, а именно однотактные транзисторные преобразователи постоянного напряжения с обратным включением выпрямительного диода. Сущность изобретения: преобразователь содержит силовой ключ 1, управляемый генератором, одновибраторы 12 и 24, схему сравнения 5, которая управляет длительностью паузы рабочих импульсов при помощи оптронной пары 6, 7 и управляемого источника тока на элементах 9, 11, 8, 10, изменяющего ток заряда конденсатора 14, а также пороговой схемы - стабилитрон 18, транзистор 17, инвертор 16 и соответствующие резисторы. Напряжение включения преобразователя при подаче и увеличении первичного напряжения определяется соотношением резисторов 20, 21 и 22, а напряжение выключения определяется соотношением резисторов 21 и 22. Имеется возможность получения гистерезисной характеристики включения/выключения. Инвертор 16 не только переключает пороги схемы, но и формирует начало импульсной последовательности с паузы. Предусмотрено формирование плавной характеристики пуска преобразователя. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ОДНОТАКТНЫЙ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий одновибраторы, инверсный выход первого из которых соединен с управляющим входом второго, прямой выход второго подключен к управляющему входу первого, времязадающие входы первого и второго одновибраторов соединены с первыми выводами первого и второго конденсаторов соответственно, вторые выводы которых объединены и подключены к общему полюсу схемы, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом времязадающего резистора, второй вывод которого подключен к потенциальному полюсу, прямой и инверсный выходы второго одновибратора подключены к управляющим входам силового транзисторного ключа, коллекторная цепь которого через первичную обмотку силового трансформатора соединена с потенциальным полюсом первичного источника, а вторичная обмотка через выпрямитель и фильтр подключена к цепи нагрузки и к входам схемы сравнения, на выходе которой включен светодиод оптопары, содержащей также фототранзистор, причем эмиттер порогового транзистора соединен с катодом стабилитрона, а база - с первым выводом первого резистора делителя напряжения, отличающийся тем, что введены два разделительных диода, управляющие транзистор и резистор, базовый, гистерезисный, шунтирующий и открывающий резисторы, первый КМОП логический инвертор и ограничивающий диод, причем анод стабилитрона соединен с общим полюсом схемы и с вторым выводом первого резистора делителя напряжения, первый вывод которого подключен к первому выводу резистора гистерезиса и через второй резистор делителя напряжения - к потенциальному полюсу первого источника, с которым через балластный резистор соединен эмиттер порогового транзистора, коллектором подключенного к входу первого КМОП логического инвертора, а параллельно катоду и аноду стабилитрона подключены соответственно потенциальные и общие питающие входы одновибраторов и первого КМОП инвертора, выход которого соединен с катодами первого и второго разделительных диодов, где анод первого диода подключен к второму выводу резистора гистерезиса, а анод второго - к первому выводу первого конденсатора и к коллектору управляющего транзистора, эмиттером через управляющий резистор соединенного с катодом стабилитрона, а базой - с точкой соединения фототранзистора оптопары и первых выводов шунтирующего и открывающего резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к катоду и аноду стабилитрона, причем первый вывод времязадающего резистора соединен с анодом ограничивающего диода, катод которого - с катодом стабилитрона и коллектором фототранзистора оптопары. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что введены второй КМОП логический инвертор, базовый резистор, разрядный транзистор, формирующий конденсатор и диод, причем коллектор порогового транзистора подключен к входу второго КМОП логического инвертора, питающие входы которого соединены с питающими входами первого КМОП логического инвертора, а выход через базовый резистор подключен к базе разрядного транзистора, эмиттер которого соединен с катодом стабилитрона и с первым выводом формирующего конденсатора, а коллектор - с вторым выводом этого конденсатора и через формирующий диод - с базой управляющего транзистора.