СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ Российский патент 1994 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике/ а именно к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры/ предназначенным для работы в составе малогабаритной аппаратуры.

Известен стабилизатор постоянного напряжения/ работающий в режиме широтно-импульсной модуляции/ содержащий регулирующий транзистор. LCD-фильтр и схему управления/ основу которой составляет микросхема К142ЕП1/ содержащая дифференциальный усилитель/ формирователь пилообразного напряжения/ работающий с внешней емкостью от внешнего генератора прямоугольного напряжения/ широтно-импульсный модулятор/ согласующие транзисторы/ и источник опорного напряжения. Выход широтно-импульсного модулятора связан с базой первого согласующего транзистора/ эмиттер второго согласующего транзистора подключен к общему проводу схемы/ а коллекторы обоих согласующих транзисторов через промежуточный транзистор связаны с базой регулирующего транзистора. Дифференциальный усилитель сравнивает выходное напряжение с опорным/ а широтно-импульсный модулятор выдает импульсы/ скважность которых пропорциональна разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора при определенном токе нагрузки [1].

Недостатком микросхемы является низкая степень интеграции/ из-за чего требуется большое количество внешних навесных элементов и необходимость подключения к ней внешнего источника прямоугольного напряжения модуляции/ к тому же изолированного. В состав такого источника (генератора) должен входить моточный элемент (трансформатор)/ неприемлемый для микросхемного исполнения и технологично сложный в виде навесного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и взятым в качестве прототипа является стабилизатор постоянного напряжения с импульсным регулированием/ состоящий из ключевого регулирующего элемента/ имеющего по крайней мере два транзистора n-p-n-типа/ база первого из которых является управляющим входом регулирующего элемента/ а база второго - подключена к эмиттеру первого транзистора/ из последовательно соединенного с выходными выводами LCD-фильтра/ а также из блока управления регулирующим элементом/ включающего в себя компаратор/ RC-триггер/ выход которого подключен к управляющему входу регулирующего элемента/ логический элемент 2И/ одним из входов подключенный к выходу компаратора/ а выходом - к S-входу RC-триггера/ источник опорного напряжения/ генератор с двумя выходами/ из которых первый подключен к другому входу логического элемента 2И и R-входу RС-триггера/ а второй - к конденсатору/ и из первого резистивного делителя/ входящего в цепь обратной связи/ включенной между входным выводом и инвертирующим входом компаратора [2].

В прототипе осуществлено непосредственное подключение выхода источника опорного напряжения к неинвертирующему входу компаратора/ а выполнение ключевого регулятора предусмотрено в трех вариантах: соответственно для понижающего стабилизатора/ для повышающего и для инвертирующего. В двух первых вариантах обратная связь выполняется через первый резистивный делитель с выхода стабилизатора на инвертирующий вход компаратора/ а в третьем (инвертирующем) варианте в цепь обратной связи между первым резистивным делителем и инвертирующим входом компаратора включен операционный усилитель/ функционирующий в режиме масштабного усилителя-инвертора с коэффициентом передачи/ равным единице. В каждом из этих вариантов напряжение обратной связи (с определенным коэффициентом передачи) с выхода стабилизатора подается на инвертирующий вход компаратора/ который сравнивает его с опорным напряжением/ поступающим на неинвертирующий вход. Управление RS-триггером производится по R-входу от первого выхода генератора/ на котором имеются отрицательные (в виде логического нуля) импульсы/ длительность которых равна времени релаксации генератора/ а по S-входу - импульсами логического элемента 2И. Всякий раз/ когда на выходе компаратора появляется логическая единица в паузе между отрицательными импульсами первого выхода генератора/ RS-триггер перебрасывается по S-входу и включаются оба транзистора регулирующего элемента/ находящиеся в этом состоянии до конца текущего периода работы генератора.

Итак/ в прототипе блок управления сравнивает два постоянных напряжения/ одно из которых (со стороны обратной связи) может содержать составляющую пульсаций выходного напряжения. Так как эта составляющая существенно зависит от нагрузки и емкости конденсатора LCD-фильтра/ который вследствие большой величины емкости выбирается обычно электролитическим/ а емкость такого конденсатора существенно зависит от температуры/ то переменная составляющая напряжения обратной связи является неопределенной и/ кроме того/ вид ее не строго пилообразный. Вследствие этого момент переключения RS-триггера по S-входу определяется компаратором хаотически. Он меняется от периода к периоду работы генератора/ который точно (и постоянно) определяет лишь момент сброса RC-триггера (в момент своей релаксации). Хаотическое включение RS-триггера/ которое может и не состояться в каждом периоде генератора/ приводит к большой неоднозначности импульсов ключевого элемента (на входе LCD-фильтра). Стабилизатор стабилизирует как бы "в принципе". Он выдерживает заданный номинал выходного напряжения и с заданным допуском. Но его ключевой элемент работает с какой угодно частотой и длительностью/ беспорядочно изменяющимися. При таких обстоятельствах LCD-фильтр следует рассчитывать на наибольшую длительность и наименьшую частоту возможных импульсов. Это увеличивает размеры и массу LCD-фильтра. Кроме того/ если для питаемой аппаратуры нужно несколько напряжений (в том числе переменных)/ то силовой инвертор/ который требуется при этом применять/ должен быть полностью автономным/ со своим задающим (тактовым) генератором/ так как использовать импульсы нестационарно работающего блока управления в качестве тактовых для инвертора - не представляется возможным.

Цель изобретения - улучшение массогабаритных характеристик путем обеспечения стационарного характера работы регулирующего элемента/ а также расширение функциональных возможностей стабилизатора путем использования его в многоканальном исполнении.

Это достигается тем/ что в стабилизаторе постоянного напряжения с импульсным регулированием/ состоящем из ключевого регулирующего элемента/ из LCD-фильтра/ выходом соединенного с выходным выводом/ а также из блока управления/ включающего в себя компаратор/ RS-триггер/ выход которого подключен к управляющему входу регулирующего элемента/ логический элемент 2И/ одним из входов подключенный к выходу компаратора/ а выходом - к S-входу RS-триггера/ источник опорного напряжения/ генератор с двумя выходами/ из которых первый подключен к другому входу логического элемента 2И - R-входу RS-триггера/ а второй - к конденсатору/ и из первого резистивного делителя/ входящего в цепь обратной связи/ включенной между выходным выводом и инвертирующим входом компаратора/ введен второй резистивный делитель/ крайними выводами подключенный к выходу источника опорного напряжения и второму выходу генератора/ а средним выводом - к неинвертирующему входу компаратора.

Ключевой регулирующий элемент выполнен из по крайней мере двух транзисторов n-p-n-типа/ база первого из которых использована в качестве управляющего входа ключевого регулирующего элемента/ а база второго транзистора подключена к эмиттеру первого транзистора/ и из третьего транзистора p-n-р-типа/ эмиттер и коллектор которого подключены соответственно к входному выводу/ положительной полярности и входу LCD-фильтра/ а база через введенный резистор подключена к коллектору первого транзистора/ эмиттер второго транзистора подключен к общей шине/ а открытый коллектор второго транзистора использован в качестве сигнального вывода для подключения преобразователя напряжения.

Сущность изобретения состоит в том/ что к опорному напряжению/ подводимому к неинвертирующему входу компаратора блока управления/ подмешивается пилообразное напряжение/ вырабатываемое генератором (на его втором выходе). Смешивание обоих напряжений производится делителем напряжения/ к крайним выводам которого подводятся оба указанные исходные напряжения/ а с выхода снимается результирующее напряжение/ суть опорное/ промодулированное "пилой" постоянной (стабильной) амплитуды. Становится таким образом возможным получить от компаратора широтно-модулированный сигнал/ обеспечивающий стационарный режим работы регулирующего силового элемента.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого стабилизатора в конкретном варианте исполнения понижающего типа; на фиг.2 - то же/ регулирующий элемент которого выполнен на двух транзисторах n-p-n-типа и третьем транзисторе с типом проводимости p-n-p/ причем второй транзистор n-p-n использован для выделения тактовых импульсов на преобразователь напряжения/ если стабилизатор имеет многоканальное исполнение.

Стабилизатор состоит (фиг. 1) из ключевого регулирующего элемента 1/ включающего в себя первый 2 и второй 3 транзисторы n-p-n-типа/ LCD-фильтра 4/ блока 5 управления/ в который входят компаратор 6 с инвертирующим 7 и неинвертирующим 8 входами/ RC-триггер 9/ логический элемент 2И 10/ источник 11 опорного напряжения/ генератор 12 с двумя выходами 13 и 14/ формирующий на первом выходе 13 отрицательные тактовые импульсы/ на втором выходе 14 - пилообразное напряжение/ конденсатора 15/ а также первого 16 и второго 17 резистивных делителей. В данном примере конкретного выполнения регулирующий элемент 1 последовательно с LCD-фильтром 4 включены между входом и выходом стабилизатора и этот выход через резистивный делитель 16 подключен к инвертирующему входу 7 компаратора 6/ выход которого подключен к одному из входов логического элемента 2И 10/ выходом подключенного к S-входу RS-триггера 9. Первый выход 13 генератора 12 подключен к R-входу RS-триггера и второму входу логического элемента 2И 10. К второму выходу 14 генератора 12 подключен конденсатор 15. К выходу источника 11 опорного напряжения и второму выходу 14 генератора 12 подключены крайние выводы делителя 17/ средний вывод которого соединен с неинвертирующим входом 8 компаратора 6. Выход триггера 9/ который представляет собой выход блока 5 управления/ подключен к базе транзистора 2. Коллекторы транзисторов 2 и 3 соединены между собой и подключены к входному выводу положительной полярности. База транзистора 3 подключена к эмиттеру транзистора 2/ а эмиттер транзистора 3 использован (в конкретном примере реализации) в качестве выхода регулирующего элемента 1.

В стабилизаторе с выходом тактовых импульсов на преобразователь напряжения (фиг. 2) в регулирующем элементе 1 имеется также третий транзистор 18 с p-n-p-типом проводимости и резистор 19/ включенный между коллектором транзистора 2 и базой транзистора 18/ эмиттер и коллектор которого подключены соответственно к входному выводу положительной полярности и входу LCD-фильтра 4. Эмиттер транзистора 3 регулирующего элемента 1 подключен к общей шине/ а открытый коллектор 20 этого транзистора/ являющийся выходом тактовых импульсов/ нагружен на резистор 21/ подключенный другим выводом к выходному выводу стабилизатора положительной полярности (в данном примере конкретного выполнения).

Работает стабилизатор следующим образом.

Напряжение с его выхода по цепи обратной связи поступает через первый делитель 16 напряжения на инвертирующий вход 7 компаратора 6. На его неинвертирующий вход 8 от второго делителя 17 поступает поделенная разница двух напряжений: опорного и пилообразного/ присутствующих на крайних выводах делителя 17. Напряжение на втором выходе 14 генератора 12 имеет вид нарастающей пилы с релаксацией/ приходящейся на время отрицательного перепада напряжения на первом выходе 13 генератора 12. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора 6 по своей сути остается опорным/ но снабженным пилообразной составляющей. Компаратор 6 производит сравнение этого напряжения с напряжением обратной связи. На выходе компаратора 6 получается положительный перепад/ переключающий RS-триггер 9 по S-входу тогда/ когда напряжение на неинвертирующем входе компаратора 6 начинает превышать напряжение инвертирующего входа. Если выходное напряжение устройства снижается (повышается)/ то момент переключения триггера 9 смещается ближе (дальше) относительно начала нарастания пилообразного напряжения.

Осуществляется таким образом широтно-импульсное регулирование/ и скважность импульсов регулирующего элемента 1 ставится в зависимость от величины тока нагрузки/ а частота формируемых импульсов управления регулирующим элементом равна частоте генератора 12/ устанавливаемой конденсатором 15.

Коэффициент стабилизации устройства зависит от крутизны пилообразной составляющей опорного напряжения/ увеличиваясь с уменьшением крутизны. С другой стороны/ нестабильность амплитуды пилообразного напряжения является привносным в стабилизатор дестабилизирующим фактором. Чтобы от него избавиться/ пилообразное напряжение надлежит формировать стабильным. В μ A78S40 (KP1156КУ1) это условие реализуется. Пилообразное напряжение в этой микросхеме стабильно в той же мере/ что и опорное напряжение (1/3В). Максимальные и минимальные уровни пилообразного напряжения микросхемы различаются в этой микросхеме примерно в два раза/ а амплитуда верхнего уровня - около 1/3В.

Импульсы для преобразования дополнительных каналов/ если они нужны (фиг.2)/ снимаются с коллектора транзистора 3.

Таким образом/ предлагаемый стабилизатор отличается от прототипа тем/ что импульсы управления ключевым регулирующим элементом в нем вырабатываются стационарными/ т.е. с одинаковой длительностью и частотой от периода к периоду (при неизменных нагрузке и выходном напряжении). Частота этих импульсов такая же/ как частота генератора/ а длительность - адекватна нагрузке и входному напряжению. Становятся определенными данные для расчета LCD-фильтра/ уменьшаются его масса и габариты (дросселя/ конденсатора и стабилизатора в целом). Появляется возможность использовать импульсы блока управления (в качестве тактовых) для приведения в действие преобразователя напряжения при потребности в дополнительных каналах постоянного или (и) переменного напряжения. В многоканальном варианте получается/ следовательно/ выигрыш еще и в том/ что экономится задающий генератора/ так как его роль попутно теперь способны выполнить блок управления стабилизатора вместе с его регулирующим элементом (транзисторы 2 и 3 входят в состав микросхем μ 078S40 и КР1156ЕУ1).

Использование: в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, предназначенных для работы в составе малогабаритной аппаратуры. Сущность изобретения: стабилизатор содержит ключевой регулирующий элемент, LCD-фильтр, блок управления, включающий в себя компаратор, RS-триггер, логический элемент 2И, источник опорного напряжения, генератор, конденсатор, два делителя напряжения. Импульсы управления ключевым регулирующим элементом вырабатываются стационарными, т.е. с одинаковой длительностью при неизменном выходном напряжении и частотой. Частота этих импульсов определяется частотой генератора, а длительность зависит от изменений выходного напряжения. Стабилизатор может быть выполнен в виде понижающего, повышающего и инвертирующего вариантов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, содержащий ключевой регулирующий элемент, LCD-фильтр, выход которого подключен к выходному выводу, блок управления, включающий компаратор, RS-триггер, выход которого соединен с управляющим входом ключевого регулирующего элемента, логический элемент 2И, первый вход которого подключен к выходу компаратора, а выход - к S-входу RS-триггера, источник опорного напряжения и генератор, формирующий на первом выходе отрицательные тактовые импульсы, а на втором выходе - пилообразное напряжение, первым выходом подключен к второму входу логического элемента 2И и к R-входу RS-триггера, конденсатор, включенный между вторым выходом генератора и общей шиной, первый резистивный делитель, входящий в цепь обратной связи, включенной между выходным выводом и инвертирующим входом компаратора, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик путем обеспечения стационарного характера работы ключевого регулирующего элемента, в него ввден второй резистивный делитель, крайними выводами соединенный соответственно с выходом источника опорного напряжения и с вторым выходом генератора, а средним выводом - с инвертирующим входом компаратора. 2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем использования в многоканальном исполнении, ключевой регулирующий элемент выполнен из по крайней мере двух транзисторов n - p - n-типа, база первого из которых использована в качестве управляющего входа ключевого регулирующего элемента, а база второго транзистора подключена к эмиттеру первого транзистора, и из третьего транзистора p - n- p-типа, эмиттер и коллектор которого подключены соответственно к входному выводу положительной полярности и к входу LCD-фильтра, а база через введенный резистор соединена с коллектором первого транзистора, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине, а открытый коллектор второго транзистора использован в качестве сигнального вывода для подключения преобразователя напряжения.