ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H03K7/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах для регулирования величины постоянного напряжения оконечных каскадов передатчиков систем трехпрограммного проводного вещания (ПВ).

Известен управляемый преобразователь напряжения, содержащий блокинг-генератор на транзисторе с нагрузкой в цепи коллекторной обмотки, при этом вывод нагрузки, соединенный с коллекторной обмоткой, подключен к эмиттеру дополнительного транзистора, коллектор соединен с базовой обмоткой, а база - с источником управляющего напряжения (авт.св. СССР N 292204, H 02 M 3/24, 1971 г.).

Однако данный управляемый преобразователь напряжения обладает низкой стабильностью амплитудных и нагрузочных характеристик, повышенным уровнем гармоничных составляющих, неудобством подачи управляющего напряжения.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) является импульсный модулятор постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные с выводом питания первичную обмотку двухобмоточного дросселя и регулирующий транзистор, вторичная обмотка двухобмоточного дросселя одноименным выводом соединена с выходом импульсного модулятора постоянного напряжения, а другим выводом подключен и к аноду блокирующего диода, разделительный конденсатор, выходной конденсатор и нагрузка соединены параллельно выходу и общей шине импульсного модулятора постоянного напряжения, блок управления, построенный по принципу широтно-импульсного регулирования (Cuk S. A new zero-ripple switching DC-to-DC converter and integrated magnetic. IEEE PESC Record, 1980, p. 15, fig. 5).

Недостатками прототипа являются: нелинейность статической модуляционной характеристики, вызывающая склонность к неустойчивой работе, повышенный уровень гармонических искажений при однополярном управлении за счет инерционных свойств регулирующего транзистора, необходимость введения дополнительных элементов для защиты полупроводниковых приборов.

Цель изобретения - повышение надежности путем обеспечения устойчивости работы устройства при одновременном повышении качества регулирования выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известный импульсный модулятор постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные с положительным выводом питания первичную обмотку двухобмоточного дросселя и регулирующий транзистор, вторичная обмотка которого одноименным выводом соединена с выходом импульсного модулятора постоянного напряжения, а другим выводом подключена к аноду блокирующего диода, разделительный конденсатор включен между анодом блокирующего диода и коллектором регулирующего транзистора, выходной конденсатор и нагрузка параллельно включены между выходом и общей шиной, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора, дополнительно введены резистивный датчик тока, внешняя цепь обратной связи фильтрующего типа, суммирующий усилитель обратной связи, входной делитель напряжения, внутренний делитель напряжения, цепь из последовательно соединенных резистора и опорного элемента, при этом эмиттер регулирующего транзистора через резистивный датчик тока соединен с общей шиной, катод блокирующего диода связан с эмиттером регулирующего транзистора, средние точки входного и внутреннего делителей напряжения подключены к инверсному и прямому входам суммирующего усилителя обратной связи соответственно, выход которого соединен с управляющим входом широтно-импульсного модулятора, первый вывод входного делителя напряжения соединен с источником управляющего напряжения, а второй вывод через внешнюю цепь обратной связи фильтрующего типа - с анодом блокирующего диода, первый вывод внутреннего делителя напряжения соединен с эмиттером регулирующего транзистора, а второй вывод - с общей шиной, причем цепь из последовательно соединенных резистора и опорного элемента подключены к средней точке этого делителя и эмиттеру регулирующего транзистора.

Введение резистивного датчика тока между общей шиной и соединенными эмиттером регулирующего транзистора и катодом блокирующего диода позволяет защитить регулирующий транзистор и обеспечить возможность параллельной работы регуляторов на общую нагрузку; снизить паразитную амплитудную модуляцию выходного импульсного напряжения, связанную с задержкой переключения регулирующего транзистора и блокирующего диода при однополярном питании широтно-импульсного модулятора.

Введение суммирующего усилителя обратной связи, входного делителя напряжения и внешней цепи обратной связи фильтрующего типа упрощает построение входного суммирующего узла сравнения последовательного типа, развязывает влияние активного эквивалента нагрузки (например, ВЧ-генератора, нерегулируемого инвертора) на выходные цепи импульсного модулятора постоянного напряжения, обеспечивает линейность регулировочной характеристики устройства, одновременно стабилизируя выходные параметры при изменении сопротивления нагрузки; повышает точность демодуляции при использовании ФНЧ путем преобразования АИМ в ШИМ, что снижает методическую ошибку преобразования.

Подача на суммирующий усилитель обратной связи сигнала с выхода внутреннего делителя напряжения обеспечивает устойчивость работы устройства за счет действия комбинированной обратной связи, существенно улучшающей переходные процессы, т.е. наличие внутреннего параллельного контура по току дросселя снижает колебательность импульсной системы, максимально приближая ее к линейноой, увеличивает граничное значение коэффициента передачи внешнего контура регулирования напряжения; расширяет область устойчивой работы.

Воздействие цепи из последовательно соединенных резистора и опорного элемента стабилизирует рабочую точку преобразователя на заданном уровне тока, резко увеличивая его выходное сопротивление.

Совокупность добавочных элементов импульсного модулятора постоянного напряжения призвана защитить полупроводниковые элементы активной нагрузки (ВЧ-генератор) от превышения величины тока в их выходных цепях.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что введение новых элементов и связей позволяет повысить эксплуатационную надежность импульсного модулятора постоянного напряжения при одновременном повышении качества регулирования выходного напряжения.

На фиг. 1 приведена функциональная схема импульсного модулятора постоянного напряжения, на фиг. 2 - функциональная схема импульсного модулятора постоянного напряжения с защитной нагрузки от перегрузки по току, на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема прототипа.

Импульсный модулятор постоянного напряжения содержит регулирующий транзистор 1, двухобмоточный дроссель 2, первичная обмотка 3 которого включена в коллекторную цепь регулирующего транзистора 1, а вторичная обмотка 4 через блокирующий диод 5 соединена с его эмиттером, анод которого соединен с коллектором регулирующего транзистора 1 через разделительный конденсатор 6. Одноименный вывод вторичной обмотки 4 совместно с выходным конденсатором 7 и нагрузкой 8 подключены к выходу устройства, другие выводы которых присоединены к общей шине, эмиттер регулирующего транзистора 1 через резистивный датчик 9 тока также соединен с общей шиной, а база соединена с выходом широтно-импульсного модулятора 10. Суммирующий усилитель 11 обратной связи, выходом соединенный с управляющим входом широтно-импульсного модулятора 10, инверсным входом подключен к средней точке входного делителя напряжения I, собранного на резисторах 12 и 13, один из которых - переменный, одним выводом входной делитель напряжения I соединен с источником управляющего напряжения, а вторым - через внешнюю цепь 14 обратной связи - с анодом блокирующего диода 5. Прямой вход суммирующего усилителя 11 обратной связи соединен со средней точкой внутреннего делителя напряжения II, собранного на резисторе 15, подключенного к эмиттеру регулирующего транзистора 1, и резисторе 16, соединенного с общей шиной, цепь из последовательно соединенных резистора 17 и опорного элемента 18 включена параллельно резистору 15.

На фиг. 2 между нагрузкой 8 и общей шиной включен второй резистивный датчик 19 тока, выход которого соединен с первым выводом выходного делителя напряжения III, выполненного на резисторах 20 и 21, один из которых переменный для регулировки величины тока ограничения нагрузки 8. Второй вывод выходного делителя напряжения III связан с эмиттером регулирующего транзистора 1, а средняя точка выходного делителя III подключена к инверсному входу усилительного элемента 22 сравнения, прямой вход которого соединен с общей шиной. Между выходами суммирующего усилителя 11 и усилительного элемента 22 сравнения встречно включены два развязывающих диода 23 и 24, так что точка соединения их катодов подключена к управляющему входу широтно-импульсного модулятора 10.

Устройство работает следующим образом.

До включения регулирующего транзистора 1 разделительный конденсатор 6 заряжен до напряжения питания +E_n с полярностью, показанной на фиг. 1, по цепи: первичная обмотка 3 двухобмоточного дросселя 2, блокирующий диод 5 и резистивный датчик 9 тока. При подаче на вход устройства положительного напряжения, оно, проходя через входной делитель напряжения I, снижает высокое выходное напряжение суммирующего усилителя 11 обратной связи, полученное, например, начальным смещением от источника тока положительной полярности в среднюю точку внутреннего делителя напряжения II (на схеме не показано) для появления отпирающего перепада на выходе широтно-импульсного модулятора 10, что и открывает регулирующий транзистор 1. При этом одновременно протекают два процесса: накопление магнитной энергии в первичной обмотке 3 двухообмоточного дросселя 2 и передача электрической энергии разделительного конденсатора 6 в фильтр, составленный из вторичной обмотки 4 двухобмоточного дросселя 2 и выходного конденсатора 7, и нагрузку 8. На этом интервале преобразования блокирующий диод 5 закрыт, а через резистивный датчик 9 тока протекают токи нагрузки 8 и источника питания, нарастая до определенного значения. При выключении регулирующего транзистора 1 замыкается блокирующий диод 5 и снова одновременно протекают два процесса: передача магнитной энергии, накопленной в первичной обмотке 3 двухобмоточного дросселя 2 в разделительный конденсатор 6 и во вторичную обмотку 4 двухобмоточного дросселя 2, которая складываясь с энергией, накопленной с этой обмотке и выходном конденсаторе 7 передается в нагрузку 8. При этом через резистивный датчик 9 тока опять протекают токи нагрузки 8 и источника питания, спадая до начального значения. При последующих коммутациях регулирующего транзистора 1 и блокирующего диода 5 процессы повторяются.

Рассматривая наиболее оптимальный режим непрерывных токов и понимая, что напряжение разделительного конденсатора 6 приложена к цепи из последовательно соединенных вторичной обмотки 4 и нагрузки 8 на интервале открытого регулирующего транзистора 1, а напряжение на первичной обмотке 3 равно разности напряжений разделительного конденсатора 6 и источника питания, а также исходя из равенства вольт-секундного интервала на этапах коммутации на обмотках двухобмоточного дросселя 2 и записи выражений на разделительном конденсаторе 6 и нагрузке 8 в случае идеальности элементов


где E_n - величина выходного напряжения,
γ - коэффициент заполнения, определяемый соотношением
γ = t_u/T,
где t_u и T - соответственно длительности включенного состояния регулирующего транзистора 1 и период преобразования,
можно сделать вывод, что среднее значение напряжений на обмотках двухобмоточного дросселя 2 на каждом интервале одинаковы и равны E_n и E_nγ/(1-γ) соответственно на интервале t_u и t_n. Данное обстоятельство позволяет объединить первичную обмотку 3 и вторичную обмотку 4 в единый магнитный компонент и существенно снизить пульсации токов этих обмоток, что обеспечивает усиление малых уровней управляющих напряжений. В данном преобразователе среднее напряжение на разделительном конденсаторе 6 всегда равно сумме напряжений источника питания и нагрузки 8, что определяет величину максимального напряжения на регулирующем транзисторе 1 и блокирующем диоде 5. Импульсное напряжение, возникающее в точке соединения разделительного конденсатора 6 и блокирующего диода 5 и модулированное по амплитуде и длительности, через LC-фильтр в виде вторичной обмотки 4 двухобмоточного дросселя 2 и выходного конденсатора 7 поступает на выход устройства - нагрузку 8. Соединение катода блокирующего диода 5 с эмиттером регулирующего транзистора 1 и последующее подключение их через резистивный датчик 9 тока к общей шине и однополярном управлении базы регулирующего транзистора 1 резко снижает время коммутации. Переключение этих элементов происходит следующим образом. На первом этапе регулирующий транзистор 1 закрыт сигналом широтно-импульсного модулятора 10, а блокирующий диод 5 открыт. При этом регулирующий транзистор 1 находится в состоянии отрицательной отсечки, и потенциал его эмиттера выше потенциала базы за счет протекания тока блокирующего диода 5, создающего запирающее напряжение для регулирующего транзистора 1. При появлении положительного перепада напряжения с выхода широтно-импульсного модулятора 10, отпирающего регулирующий транзистор 1, разделительный конденсатор 6 начинает разряжаться, обуславливая уменьшение тока блокирующего диода 5. Поэтому развивается лавинный процесс, в результате которого регулирующий транзистор 1 практически мгновенно переходит в открытое, а блокирующий диод 5 - в закрытое состояние. Такое состояние в схеме длится до тех пор, пока на выходе широтно-импульсного модулятора 10 возникает отрицательный перепад напряжения, вызывающий закрывание регулирующего транзистора 1 и протекание тока заряда разделительного конденсатора 6 и тока нагрузки 8, благодаря наличию положительной обратной связи со стороны вторичной обмотки 4 двухобмоточного дросселя 2 (это происходит практически мгновенно) и воздействию запирающего смещения на эмиттере регулирующего транзистора 1. Это вызывает ускоренное рассасывание заряда в базовой области регулирующего транзистора 1 и он закрывается с максимальной скоростью. Импульсное напряжение отрицательной полярности с анода блокирующего диода 5 поступает на вход внешней цепи обратной связи 14, включающей в себя резистивный делитель напряжения и минимально-фазовую RC-цепь, например, интегро-дифференцирующего типа, где преобразуется в виде постоянного отрицательного уровня напряжения, которое сравнивается с входным управляющим напряжением положительного уровня. Разность этих напряжений поступает на инверсный вход суммирующего усилителя 11 обратной связи. При любых отклонениях среднего значения импульсного напряжения внешнего контура регулирования от усиленного по идеальной регулировочной характеристике модулятора входного управляющего напряжения, изменяется выходное напряжение суммирующего усилителя 11 обратной связи, воздействующего на управляющий вход широтно-импульсного модулятора 10. Последнее приводит к изменению длительности импульса на базе регулирующего транзистора 1 и коэффициента заполнения γ согласно вышеприведенной зависимости. Нелинейная зависимость идеальной регулировочной характеристики импульсного модулятора постоянного напряжения при повышении качества регулирования выходного напряжения и обеспечения линейности модуляционной характеристики требует увеличения коэффициента усиления суммирующего усилителя 11 обратной связи, что приводит к снижению области устойчивой работы модулятора и усложнению схемы управления. Другим недостатком регулирования по первому входу суммирующего усилителя 11 обратной связи является повышенная динамическая нестабильность, вызванная изменениями управляющего напряжения. Устранение указанных недостатков при сохранении устойчивости работы и высокой статической и динамической точности импульсного модулятора постоянного напряжения достигается при введении внутреннего контура регулирования по току коммутирующих элементов. Сущность нововведения сводится к разделению функций отработки различных дестабилизирующих факторов между внутренним и внешними контурами регулирования, при этом внешний контур регулирования - первичная обмотка 3 двухобмоточного дросселя 2, разделительный конденсатор 6, внешняя цепь 14 обратной связи, резисторы 12 и 13 входного делителя напряжения I - обеспечивает постоянство среднего значения регулируемого выходного напряжения, а внутренний контур регулирования - обмотки 3 и 4 двухобмоточного дросселя 2, регулирующий транзистор 1, блокирующий дроссель 5, резистивный датчик 9 тока, резисторы 15 и 16 внутреннего делителя напряжения II, второй вход суммирующего усилителя 11 обратной связи - отрабатывает возмущения, обусловленные изменениями тока нагрузки 8 и параметров элементов широтно-импульсного модулятора 10.

Действие внутреннего контура регулирования направлено на поддержание пропорциональной зависимости между током нагрузки 8 и напряжением рассогласования на первом входе суммирующего усилителя 11 обратной связи. Если эта зависимость выдерживается, то внутренний контур регулирования не влияет на регулирование выходного напряжения модулятора. Если же выходной ток не следует линейно за напряжением рассогласования, то сигнал с выхода внутреннего делителя напряжения II либо уменьшает, либо увеличивает величину этого тока, что существенно упрощает задачу параллельной работы импульсных модуляторов постоянного напряжения на общую нагрузку, так как внутренний контур регулирования непосредственно и мгновенно реагирует на изменения управляющего напряжения, выходного тока и напряжения питания, что повышает качество регулирования выходного напряжения.

Для защиты регулирующего транзистора 1 и блокирующего диода 5 импульсного модулятора постоянного напряжения необходимо не только ограничить ток, проходящий через них, но и уменьшить коэффициент заполнения. С этой целью в предлагаемом устройстве с выхода резистивного датчика 9 тока сигнал поступает также на вход цепи из последовательно соединенных резистора 17 и опорного элемента 18. Если этот сигнал превышает наперед заданную величину, то на выходе опорного элемента 18 возникает сигнал, приводящий к резкому увеличению глубины обратной связи по внутреннему контуру регулирования. При этом суммирующий усилитель 11 обратной связи переходит в состояние, соответствующее уменьшению коэффициента заполнения. Так как резистивный датчик 9 тока реагирует на мгновенные значения тока, а последний имеет как постоянную составляющую, пропорциональную току нагрузки, так и линейно нарастающую составляющую, обусловленную наличием магнитных элементов, то при неизменном напряжении пробоя опорного элемента 18 (например, стабилитрона) и увеличении тока нагрузки сверх номинальной величины, импульсный модулятор постоянного напряжения перейдет из режима регулирования выходного напряжения в режим токоограничения, характеризуемый большим выходным сопротивлением. Подобные внешние характеристики позволяют наращивать мощность в нагрузке путем простого параллельного соединения модуляторов на общую выходную шину без применения специальных мер распределения токов по каждому модулятору.

В случае представления нагрузки 8 в виде активных элементов (например, ВЧ генератор при нерегулируемый инвертор) и максимальной загрузки транзисторов по току, кратность превышения тока транзисторов становится незначительной. Для обеспечения надежной защиты от перегрузок и к.з. транзисторов нагрузочного каскада в импульсном модуляторе постоянного напряжения, представленном на фиг. 2, вводится выходной делитель напряжения III на резисторах 20 и 21 между эмиттером регулирующего транзистора 1 и точкой соединения нововведенного второго резистивного датчика 19 тока и нагрузкой 8, при этом резистор 21 является переменным для задания рабочей точки этого делителя. Выходной сигнал выходного делителя напряжения III поступает на инверсный вход усилительного элемента 22 сравнения. При этом в нормальном режиме работы и при включении потенциал средней точки выходного делителя напряжения III выше нуля за счет тока от источника смещения положительной полярности (на схеме не показан) и усилительный элемент 22 сравнения с заземленным вторым входом выдает низкий уровень выходного напряжения, что не оказывает влияния на работу суммирующего усилителя 11 обратной связи и широтно-импульсного модулятора 10, благодаря блокировке развязывающим диодом 24. При коротком замыкании входного сопротивления колебательной системы, приведенного к первичной цепи нерегулируемого инвертора, например, снижается составляющая тока питания при незначительном превышении тока нагрузки на резистивном датчике 9 тока в силу нового состояния энергетического баланса между мощностью потребления и передачи в нагрузку. При этом опорный элемент 18 не пробивается и глубина обратной связи по внутреннему делителю напряжения II резко не возрастает, но смещается к нулю рабочая точка выходного делителя напряжения III. Последнее подключает повышенное напряжение усилительного элемента 22 сравнения к управляющему входу широтно-импульсного модулятора 10, блокируя через развязывающий диод 23 выход суммирующего усилителя 11 обратной связи и переводит импульсный модулятор постоянного напряжения в режим ограничения тока нагрузки 8.

Таким образом, предлагаемое устройство помимо перечисленных преимуществ по надежности, практически обладает способностью улучшить качество регулирования выходного напряжения при демодуляции выходным фильтром из вторичной обмотки 4 и выходного конденсатора 7 за счет последовательного преобразования амплитудно-импульсной модуляции напряжения на разделительном конденсаторе 6 в широтно-импульсную модуляцию на входе упомянутого фильтра с одновременным расширением диапазона регулирования выходного напряжения и полосы пропускаемых частот. При этом методическая ошибка преобразования отсутствует из-за соответствия амплитуды на разделительном конденсаторе 6 значению модулирующего напряжения и нахождения этих импульсов через интервалы времени, равные периоду преобразования.

В результате экспериментальных исследований на предприятии разработана гамма опытных образцов передатчиков трехпрограммного ПВ по госбюджетной тематике АП-12. Оконечные каскады этих передатчиков построены с пораздельным усилением и работают в эффективном импульсном режиме, при этом коллекторные модуляторы, работающие на частоте оконечных ВЧ-генераторов, представлены в виде предлагаемых устройств с параллельной работой по входу или выходу в устройствах суммирования и деления мощностей. Промышленный КПД разработанных передатчиков не хуже 0,55 при сохранении второго класса качества во всем динамическом диапазоне вещательного сигнала. Изделия прошли опытную эксплуатацию в течение 6 месяцев на городских линиях ПВ г. Тольятти.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах для регулирования величины постоянного напряжения оконечных каскадов передатчиков систем трехпрограммного проводного вещания. Импульсный модулятор постоянного напряжения содержит двухобмоточный дроссель, регулирующий транзистор, блокирующий диод, разделительный конденсатор, выходной конденсатор, нагрузку, широтно-импульсный модулятор, резистивный датчик тока, внешнюю цепь обратной связи фильтрующего типа, суммирующий усилитель обратной связи, входной делитель напряжения, внутренний делитель напряжения и цепь их последовательно соединенных резистора и опорного элемента. Достигаемым техническим результатом является повышение надежности путем обеспечения устойчивости работы устройства при одновременном повышении качества регулирования выходного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Импульсный модулятор постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные с положительным выводом питания первичную обмотку двухобмоточного дросселя и регулирующий транзистор, вторичная обмотка которого одноименным выводом соединена с выходом импульсного модулятора постоянного напряжения, а другим выводом подключена к аноду блокирующего диода, разделительный конденсатор включен между анодом блокирующего диода и коллектором регулирующего транзистора, выходной конденсатор и нагрузка параллельно включены между выходом и общей шиной, широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора, отличающийся тем, что в него введены резистивный датчик тока, внешняя цепь обратной связи фильтрующего типа, суммирующий усилитель обратной связи, входной делитель напряжения, внутренний делитель напряжения, цепь из последовательно соединенных резистора и опорного элемента, при этом эмиттер регулирующего транзистора через резистивный датчик тока соединен с общей шиной, катод блокирующего диода связан с эмиттером регулирующего транзистора, средние точки входного и внутреннего делителей напряжения подключены к инверсному и прямому входам суммирующего усилителя обратной связи соответственно, выход которого соединен с управляющим входом широтно-импульсного модулятора, первый вывод входного делителя напряжения соединен с источником управляющего напряжения, а второй вывод через внешнюю цепь обратной связи фильтрующего типа - с анодом блокирующего диода, первый вывод внутреннего делителя напряжения соединен с эмиттером регулирующего транзистора, а второй вывод - с общей шиной, причем цепь из последовательно соединенных резистора и опорного элемента подключена к средней точке этого делителя и эмиттеру регулирующего транзистора. 2. Импульсный модулятор постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым резистивным датчиком тока, включенным между выводом нагрузки и общей шиной, выходным делителем напряжения, первый вывод которого подключен к выходу второго резистивного датчика тока, второй вывод - к эмиттеру регулирующего транзистора, а средняя точка выходного делителя напряжения соединена с инверсным входом введенного усилительного элемента сравнения, прямой вход которого подключен к общей шине, а выходы суммирующего усилителя обратной связи и усилительного элемента сравнения через одноименные электроды двух дополнительно введенных развязывающих диодов соединены с управляющим входом широтно-импульсного модулятора.