ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 1997 года по МПК H02M3/337 G05F1/46 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автогенераторным стабилизированным преобразователям напряжения, используемых в источниках вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное с защитой от перенапряжения (авт.св. СССР N 1288850, кл. H 02 M 3/337 от 25.03.85), который содержит стабилизатор напряжения, автогенератор с переключающим трансформатором, дополнительный выпрямитель, короткозамыкатель, нелинейный элемент (НЭ), баластный резистор, чувствительный элемент (ЧЭ) и силовой трансформатор (СТ). При замыкании стабилизатора напряжения выходное напряжение (V_вых) возрастает медленнее, чем напряжение на обмотках СТ. Защита включает автогенератор прежде, чем V_вых достигнет недопустимого установившегося значения. Автогенератор остается под напряжением до подачи запуска после устранения причины перенапряжения. ЧЭ не увеличивает динамического сопротивления НЭ, что повышает быстродействие защиты.

Недостатками известного преобразователя является отсутствие обратной связи по V_вых и защиты трансформатора от намагничивания.

Известен стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения (авт.св. СССР N 1436233, кл. H 02 M 3/337 от 23.04.87), который содержит силовой инвертор, выполненный на полумостовой схеме с узлом управления, состоящим из двух селекторов, генератора тактовых импульсов (ГТИ), счетного триггера и логического инвертора. Наличие двух делителей и двухпорогового компаратора, логических элементов ИЛИ, И, НЕ и узла обратной связи исключают возможность появления сквозных токов и обеспечивают контроль исправного состояния силовых элементов и отключение преобразователя в аварийных ситуациях. Схема управления построена таким образом, что в любом случае после снятия сигнала запрета с генератора включается тот транзистор, который был в включенном состоянии при поступлении сигнала запрета, что предотвращает одностороннее перемагничивание сердечника трансформатора и его насыщение.

Известен стабилизированный преобразователь напряжения по авт.св. СССР N 1154659, кл. G 05 F 1/00 от 05.01.83 на основе двухтактного автогенератора, содержащего силовые транзисторы, подключенные объединенными эмиттерами к первому входному выводу, коллекторами к крайним выводам коллекторной обмотки трансформатора, а базами соединенные с крайними выводами обмотки положительной обратной связи с трансформатора, средняя точка которой соединена через регулирующий транзистор со средней точкой коллекторной обмотки, причем управляющий переход регулирующего транзистора соединен с выходом схемы сравнения, подключенной к выходу выпрямителя обратной связи, датчик тока, подключенный между средней точкой коллекторной обмотки и вторым входным выводом, который зашунтирован база-эмиттерным переходом транзистора защиты, подключенного коллектором к базе регулирующего транзистора, а вход выпрямителя обратной связи, выполненного по схеме со средней точкой, подключен к крайним выводам коллекторной обмотки.

Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное ( авт.св. СССР N 1598078, кл. H 02 M 3/337 от 06.07.87), который содержит трансформатор, выпрямитель, два транзистора, генератор прямоугольного напряжения, пороговый элемент, диод, дроссель и конденсатор. При работе преобразователя пороговый элемент вырабатывает высокий и низкий уровень напряжения в зависимости от величины выходного напряжения. При этом генератор выключается или включается и обеспечивает протекание тока от источника входного напряжения на выход через транзисторы и через выпрямитель, поддерживая выходное напряжение в заданных пределах.

Известен нестабилизированный преобразователь постоянного напряжения автогенераторного типа прототип (Микропроцессорные средства и системы. N 3, 1987).

Задачей изобретения является автоматический запуск преобразователя, обеспечение его стабилизации и управляемости.

Поставленная цель решается следующим образом.

В известный преобразователь, содержащий первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, блок первичного запуска, первый и второй транзисторы, первый и второй дроссели насыщения, первый, второй, третий и четвертый диоды, трансформатор, первые выводы первого и второго конденсатора подключены к положительному и отрицательному соответственно входам преобразователя, а вторые выводы первого и второго конденсаторов через общую точку соединены с первым выводом второй обмотки трансформатора, первый вывод первого резистора подключен к положительному входу преобразователя, а второй вывод первого резистора и первый вывод третьего конденсатора через общую точку соединены с входом блока первичного запуска, выход которого через третий резистор подключен к первому выводу третьей обмотки трансформатора, второй вывод третьего конденсатора подключен к отрицательному входу преобразователя, коллектор первого транзистора подключен к положительному входу преобразователя, эмиттер к первому выводу первого дросселя, а база ко второму выводу первого дросселя, первому выводу первого диода и через второй резистор к одному из выводов первой обмотки трансформатора, коллектор второго транзистора подключен ко второму выводу второй обмотки трансформатора, эмиттер к отрицательному входу преобразователя, а база к первому выводу второго дросселя, второй вывод второго дросселя подключен к отрицательному входу преобразователя и к одному из выводов третьей обмотки трансформатора, первый вывод второго диода подключен к базе второго транзистора, второй вывод второго диода к отрицательному входу преобразователя, общая точка одного из выводов четвертой и пятой обмоток трансформатора подключена к одному из выводов четвертого резистора нагрузки, а другие выводы четвертой и пятой обмоток трансформатора соединены с входами третьего и четвертого диодов соответственно, катоды третьего и четвертого диодов подключены к другому выводу резистора нагрузки, первый и второй выводы четвертого конденсатора соединены с первым и вторым соответственно выводами четвертого резистора нагрузки, введены дополнительная обмотка второго дросселя с отводом от ее меньшей части, дополнительная, шестая обмотка трансформатора, пятый и шестой диоды, седьмой диод останова, восьмой и девятый диоды, третий силовой дроссель, источник оперативного питания, пятый конденсатор, первый и второй транзисторные ключи, блок совпадения, дифференцирующий блок, компаратор, причем один из выводов пятого диода соединен со вторым выводом первого диода, а другой вывод пятого диода подключен к одному из выводов первой обмотки трансформатора, один из выводов шестого диода соединен со вторым выводом второго диода, а другой вывод шестого диода подключен к одному из выводов третьей обмотки трансформатора, один из выводов дополнительной обмотки второго дросселя соединен с общим проводом оперативного источника питания, а другой через седьмой диод останова - соединен с первым выходом первого транзисторного ключа, второй выход которого соединен с общим проводом питания, а управляющий вход первого транзисторного ключа соединен с выходом блока совпадения, отвод дополнительной обмотки второго дросселя соединен с одним из выходов второго транзисторного ключа, первый управляющий вход которого подключен к выходу дифференцирующего блока и к аноду восьмого диода, катод которого соединен с общим проводом, а второй выход к первому выходу оперативного источника питания, второй выход источника оперативного питания соединен с общим проводом оперативного источника питания и с первым выводом шестой дополнительной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с входом оперативного источника питания и с первым входом блока совпадения, а второй вход блока совпадения соединен с выходом компаратора, соединенного также с входом дифференцирующего блока, первый вход компаратора соединен с потенциальным выводом четвертого нагрузочного резистора, а второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, третий силовой дроссель включен в разрыв между объединенными катодами третьего и четвертого диодов и одним из выводов четвертого нагрузочного резистора, девятый диод подключен катодом к общей точке третьего и четвертого диодов, а анод к общей точке четвертой и пятой обмоток трансформатора, пятый конденсатор включен между первым и вторым выводами оперативного источника питания.

На фиг.1 и 2 показана функциональная схема преобразователя.

Преобразователь содержит первый конденсатор 1, второй конденсатор 2, первый резистор 3, третий конденсатор 4, блок 5 первичного запуска, первый и второй транзисторы 6 и 7 соответственно, работающие в ключевом режиме, первый и второй частотнозадающие дроссели 8 и 9 (10) насыщения соответственно, первый и второй диоды 11 и 13 соответственно, пятый и шестой диоды 12 и 14 соответственно, трансформатор 15 с шестью обмотками 15¹, 15², 15³, 15⁴, 15⁵, 15⁶, второй и третий токоограничительные резисторы 16 и 17 соответственно, третий, четвертый, девятый диоды 18, 19, и 20 соответственно, третий дроссель 21, четвертый конденсатор 22, четвертый резистор 23 нагрузки, источник 24 оперативного питания, пятый конденсатор 25, первый и второй транзисторные ключи 26 и 27 соответственно, седьмой диод 28 останова, блок 29 совпадения, дифференцирующий блок 30, конденсатор 31 дифференцирующего блока, восьмой диод 33, компаратор 34, источник 35 опорного напряжения, положительный вход 36 и отрицательный вход 37 преобразователя. Первые выводы первого и второго конденсаторов 1 и 2 подключены к положительному и отрицательному входам 36 и 37 соответственно преобразователя, а вторые выводы первого и второго конденсаторов 1 и 2 через общую точку соединены с первым выводом второй обмотки 15² трансформатора 15, первый вывод первого резистора 3 подключен к положительному входу 36 преобразователя, а второй вывод первого резистора 3 и первый вывод третьего конденсатора 4 через общую точку соединены с входом блока 5 первичного запуска, выход которого через третий резистор 17 подключен к первому выводу третьей обмотки 15³ трансформатора, второй вывод третьего конденсатора 4 к отрицательному входу 37 преобразователя, коллектор первого транзистора 6 подключен к положительному входу 36 преобразователя, эмиттер к первому выводу первого дросселя 8, а база ко второму выводу первого дросселя 8, первому выводу первого диода 11 и через второй резистор 16 к одному из выводов первой обмотки 15¹ трансформатора 15, коллектор второго транзистора 7 подключен к эмиттеру первого транзистора 6 и ко второму выводу второй обмотки 15² трансформатора 15, эмиттер к отрицательному входу 37 преобразователя, а база к первому выводу второго дросселя 9, второй вывод второго дросселя 9 подключен к отрицательному входу 37 преобразователя и к одному из выводов третьей обмотки 15³ трансформатора 15, первый вывод второго диода 13 подключен к базе второго транзистора 7, общая точка одного из выводов четвертой и пятой обмоток 15⁴ и 15⁵ трансформатора 15 подключена к одному из выводов четвертого резистора 23 нагрузки, а другие выводы четвертой и пятой обмоток 15⁴ и 15⁵ трансформатора 15 соединены с входами третьего и четвертого диодов 18 и 19 соответственно, катоды третьего и четвертого диодов 18 и 19 подключены через третий силовой дроссель 21 к другому выводу резистора 23 нагрузки, первый и второй выводы четвертого конденсатора 22 соединены с первым и вторым соответственно выводами резистора 23 нагрузки, сердечник второго дросселя 9 насыщения содержит дополнительную обмотку 10 с отводом от ее меньшей части, один из выводов пятого диода 12 соединен со вторым выводом первого диода 11, а другой вывод пятого диода 12 подключен к одному из выводов первой обмотки 15¹ трансформатора 15, один из выводов шестого диода 14 соединен со вторым выводом второго диода 13, а другой вывод шестого диода 14 подключен к одному из выводов третьей обмотки 15³ трансформатора 15, один из выводов дополнительной обмотки 10 второго дросселя 9 соединен с общим проводом оперативного источника 24 питания, а другой через седьмой диод 28 останова соединен с первым выходом первого транзисторного ключа 26, второй выход которого соединен с общим проводом питания, а управляющий вход первого транзисторного ключа 26 соединен с выходом блока 29 совпадения, отвод дополнительной обмотки 10 второго дросселя 9 соединен с одним из выходов второго транзисторного ключа 27, первый управляющий вход подключен к выходу дифференцирующего блока 30, и к аноду восьмого диода 33, катод которого соединен с общим проводом, а второй выход к первому выходу оперативного источника 24 питания, второй выход которого соединен с общим проводом и с первым выводом шестой обмотки 15⁶ трансформатора 15, второй вывод которой соединен с входом оперативного источника 24 питания и с первым входом блока 29 совпадения, а второй вход блока 29 совпадения соединен с выходом компаратора 34, который соединен с входом дифференцирующего блока 30, первый вход компаратора 34 соединен с потенциальным выводом четвертого резистора 23 нагрузки, а второй вход компаратора 34 соединен с источником 35 опорного напряжения, третий силовой дроссель 21 включен в разрыв между объединенными катодами третьего и четвертого диодов 18 и 19 соответственно и одним из выводов четвертого резистора 23 нагрузки, девятый диод 20 подключен катодом к общей точке третьего и четвертого диодов 18 и 19, а анодом к общей точке четвертой и пятой обмоток 15⁴ и 15⁵ трансформатора 15, пятый конденсатор 25 включен между первым и вторым выводами оперативного источника питания 24.

Устройство работает следующим образом.

Активным плечом моста преобразователя являются транзисторы 6 и 7, пассивным плечом конденсаторы 1 и 2. В диагональ моста включена вторая обмотка 15² многообмоточного силового трансформатора 15. На переход база-эмиттер каждого из транзисторов 6 и 7, зашунтированный дросселями 8 и 9 насыщения, и двумя диодами 11, 12 и 13, 14, включенными последовательно в обратной полярности к переходу транзистора, через токоограничительные резисторы 16 и 17 подается напряжение возбуждения от отдельных обмоток трансформатора 15. При подаче входного напряжения на преобразователь начинается заряд конденсатора 4 через резистор 3, в момент, когда напряжение на нем достигает уровня, достаточного для срабатывания блока 5 первичного запуска, происходит разряд конденсатора 4 на переход база-эмиттер транзистора 7. В результате устанавливается первое устойчивое состояние преобразователя: транзистор 7 открыт, к дросселю 9 приложено падение напряжения (0,8 В) на переходе база-эмиттер, транзистор 6 закрыт, к дросселю 8 приложено отрицательное падение напряжения на двух диодах 11 и 12 (2 В). Поскольку дроссели 8 и 9 одинаковы, то примерно через четверть периода сердечник дросселя 8 насытится и весь ток обмотки возбуждения будет протекать по дросселю 8, в результате чего напряжение на переходе база-эмиттер становится равным нулю (фиг. 2,B). Через половину периода сердечник дросселя 9 также насытится, ток базы транзистора 7 будет стремиться к нулю, поэтому транзистор 7 закрывается и магнитный поток трансформатора 15 начнет уменьшаться, в результате чего скачком изменяется полярность напряжения в обмотках возбуждения трансформатора 15 (фиг. 2, A, B, C).

Транзистор 6 открывается, а на базу транзистора 7 подается запирающее напряжение. Процесс открывания транзисторов 6, (7) происходит форсированно, так как в закрытом состоянии транзистора дроссель 9 (8) насыщен за счет протекания тока обмотки возбуждения 15³ (15¹) к базовому выводу дросселя и, при смене полярности напряжения возбуждения, магнитная энергия, запасенная в дросселе, рассеивается в виде импульса базового тока. В результате начальный ток базы вдвое превышает установившееся значение (фиг. 2,C). Через половину периода процесс переключения транзисторов 6 и 7 повторяется. Напряжение выходных обмоток трансформатора 15 выпрямляется диодами 18 и 19 и подается в виде постоянного напряжения на вход выходного LC фильтра (дроссель 21 и конденсатор 22). Напряжение на конденсаторе 22 и на прямом входе компаратора 34 вследствие заряда через дроссель 21 начинает повышаться (фиг. 2, D). Когда оно превысит величину опорного напряжения, на один из входов блока 29 совпадения подается разрешающее напряжение (2, F). Напряжение на выходе блока 29 совпадения появляется только в тот момент, когда транзистор 7 закрывается и открывается транзистор 6 (фиг. 2, E). Выходное напряжение блока 29 совпадения (фиг. 2, G) откроет транзисторный ключ 26, который закоротит дополнительную повышающую обмотку 10 дросселя 9 и зафиксирует нулевое сопротивление его основной обмотки. Поэтому после запирания транзистора 6 транзистор 7 не открывается, напряжение на входе LC фильтра (дроссель 21, конденсатор 22) исчезает. Однако ток через дроссель 21 за счет запасенной в нем энергии не исчезает, а протекает через диод 20 в резисторе 23 нагрузки, постепенно уменьшаясь. Когда напряжение на резисторе 23 нагрузки станет ниже уровня опорного напряжения, выходное напряжение компаратора 34 (фиг. 2, E) скачком исчезает. Конденсатор 31, заряженный положительным выходным напряжением компаратора 34 через диод 33, разряжаясь через сопротивление 32 и замкнутый выходной ключ компаратора 34, откроет на короткий момент транзисторный ключ 27 (фиг. 2, H). Короткий токовый импульс (фиг. 2, I) пройдет от заряженного конденсатора 25 через дополнительную обмотку 10 дросселя 9, трансформируется в основной обмотке и откроет на короткое время транзистор 7, после чего начнется процесс автогенерации. Напряжение на выходе блока (сопротивление 23) будет изменяться в диапазоне, определяемом в основном гистерезисом срабатывания компаратора 34 (фиг. 2, D).

Таким образом, использование изобретения при максимальной простоте схемы обеспечивает надежную гальваническую развязку входных и выходных цепей, полностью исключает возможность появления сквозных токов в переходных режимах, обеспечивает контроль работы преобразователя стабильность выходного напряжения, в широком диапазоне входных напряжений на клеммах 36 и 37 и вариации сопротивления нагрузки 23 при сохранении всех положительных качеств автогенератора-прототипа (высокий КПД, низкое прямое напряжение на транзисторах 6 и 7 в закрытом состоянии, простота схемы).

Для обеспечения повышения надежности и стабильности выходного напряжения, за счет улучшения стабилизации и управляемости преобразователя, в преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выполненный по схеме полумостового инвертора с промежуточным трансформатором в цепи нагрузки, трансформатор выполнен с дополнительной обмоткой, напряжение на выходе которой используется для питания источника оперативного питания и для формирования напряжений управления силовыми ключами инвертора. 2 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, блок первичного запуска, первый и второй транзисторы, первый и второй дроссели, первый второй, третий и четвертый диоды, трансформатор, причем первые выводы первого и второго конденсаторов подключены к положительному и отрицательному соответственно входам преобразователя, а вторые выводы первого и второго конденсаторов через общую точку соединены с первым выводом второй обмотки трансформатора, первый вывод первого резистора подключен к положительному входу преобразователя, а второй вывод первого резистора и первый вывод третьего конденсатора через общую точку соединены с входом блока первичного запуска, выход которого через третий резистор подключен к первому выводу третьей обмотки трансформатора, второй вывод третьего конденсатора подключен к отрицательному входу преобразователя, коллектор первого транзистора подключен к положительному входу преобразователя, эмиттер к первому выводу первого дросселя и к одному из выводов первой обмотки трансформатора, а база к второму выводу первого дросселя, первому выводу первого диода и через второй резистор к другому из выводов первой обмотки трансформатора, коллектор второго транзистора подключен к второму выводу второй обмотки трансформатора и к эмиттеру первого транзистора, эмиттер к отрицательному входу преобразователя, а база к первому выводу второго дросселя, второй вывод второго дросселя подключен к отрицательному входу преобразователя и к одному из выводов третьей обмотки трансформатора, первый вывод второго диода подключен к базе второго транзистора и через общую точку к выводу блока первичного запуска, второй вывод второго диода к отрицательному входу преобразователя, общая точка четвертой и пятой обмоток трансформатора подключена к одному из выводов четвертого резистора нагрузки, а другие выводы четвертой и пятой обмоток трансформатора соединены с анодами третьего и четвертого диодов соответственно, катоды третьего и четвертого диодов подключены к другому выводу резистора нагрузки, первый и второй выводы четвертого конденсатора соединены с первым и вторым соответственно выводами четвертого резистора нагрузки, отличающийся тем, что сердечник второго дросселя насыщения содержит дополнительную обмотку с отводом от ее меньшей части, в преобразователь введены дополнительная шестая обмотка трансформатора, пятый и шестой диоды, седьмой диод останова, восьмой и девятый диоды, третий силовой дроссель, источник оперативного питания, пятый конденсатор, первый и второй транзисторные ключи, блок совпадения, дифференцирующий блок и компаратор, причем один из выводов пятого диода соединен с вторым выводом первого диода, а другой вывод пятого диода подключен к одному из выводов первой обмотки трансформатора, один из выводов шестого диода соединен с вторым выводом второго диода, а другой вывод шестого диода подключен к одному из выводов третьей обмотки трансформатора, один из выводов дополнительной обмотки второго дросселя соединен с общим проводом оперативного источника питания, а другой через седьмой диод останова соединен с первым выходом первого транзисторного ключа, второй выход которого соединен с первым выходом первого транзисторного ключа, второй выход которого соединен с общим проводом питания, а управляющий вход первого транзисторного ключа соединен с выходом блока совпадения, отвод дополнительной обмотки второго дросселя соединен с одним из выходов второго транзисторного ключа, первый управляющий вход которого подключен к выходу дифференцирующего блока и аноду восьмого диода, катод которого соединен с общим проводом, а второй выход к первому выходу оперативного источника питания, второй выход источника оперативного питания соединен с общим проводом оперативного источника питания и с первым выводом шестой дополнительной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с входом оперативного источника питания и первым входом блока совпадения, а второй вход блока совпадения соединен с выходом компаратора, соединенным также с входом дифференцирующего блока, первый вход компаратора соединен с потенциальным выводом четвертого нагрузочного резистора, второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, третий силовой дроссель включен в разрыв между объединенными катодами третьего и четвертого диодов, и одним из выводов четвертого нагрузочного резистора, девятый диод подключен катодом к общей точке третьего и четвертого диодов, а анодом к общей точке четвертой и пятой обмоток трансформатора, пятый конденсатор включен между первым и вторым выводами оперативного источника питания.