СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G05F1/46 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам стабилизации напряжения.

Известен вторичный источник питания трансформаторного типа (см. Приборостроение и средства автоматизации. 2001 г., №7, с. 50, рис. 5. Опыт схемотехнических решений гальванической развязки в устройствах ЦОС, авторы В.Буткевич, В.Невзоров, А.Абакумов), содержащий генератор импульсов, подключенный противофазными выходами к входам двух транзисторных ключей, последовательно подключенных выходами через соответствующие первичные обмотки трансформатора к первой шине источника питания, вторичные обмотки трансформатора, каждая из которых соединена с соответствующими ей последовательно соединенными выпрямителем, фильтром и линейным стабилизатором напряжения.

Вторичный источник питания трансформаторного типа обеспечивает гальваническую развязку шин источника питания и вторичных цепей. Недостатками вторичного источника питания являются сложность и низкий коэффициент полезного действия вследствие большого количества линейных стабилизаторов в цепях вторичных обмоток. Каждой обмотке необходим линейный стабилизатор напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (см. Компоненты и технологии, 2000 г., №3, с. 42-43, рис. 4, статья “Высокочастотные и СВЧ диоды”, авторы В.Резников, Л.Губырин), содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника постоянного напряжения, а инверсный выход - через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор и непосредственно соединен с входом управления ключа. Первый вывод ключа соединен с вторым выводом источника постоянного напряжения через второй резистор, второй вывод - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего первую вторичную обмотку, которая через последовательно соединенные однополупериодный выпрямитель и фильтр подключена к нагрузке. Преобразователь содержит также два диода, интегрирующую RC-цепь, стабилитрон, с третьего по шестой резисторы, регулирующее устройство на микросхеме, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, pin-диод. Точка соединения первых резистора и конденсатора подключена к входу триггера Шмитта, вывод первой вторичной обмотки через диод подключен к интегрирующей RC-цепи, выход которой подключен к параллельно соединенным стабилитрону и первым управляющим входам регулирующего устройства. Нагрузка подключена через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы к другому управляющему входу регулирующего устройства. Выходы регулирующего устройства подключены к диодному входу диодно-транзисторного оптрона гальванической развязки, коллекторный выход которого соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения, эмиттерный выход подключен к входу pin-диода, подключенному к интегрирующему конденсатору и через пятый резистор к выводу второго резистора. Выход pin-диода подключен к управляющему входу ключа, шестой резистор подключен к третьему управляющему входу регулирующего устройства на микросхеме.

Достоинством описанного преобразователя является гальваническая развязка источника постоянного напряжения от единственной вторичной цепи за счет диодно-транзисторного оптрона.

Один недостаток устройства - сложность из-за большого количества радиоэлементов таких как pin-диод, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, регулирующее устройство на микросхеме, резисторы. Другой недостаток - увеличенное число оптронов и регулирующих устройств на микросхемах при стабилизации нескольких вторичных входных напряжений, вследствие подключения каждого из оптронов и регулирующих устройств к соответствующей вторичной обмотке.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, обладающего простотой и стабильностью нескольких выходных вторичных напряжений.

Технический результат, заключающийся в упрощении и стабилизации нескольких выходных вторичных напряжений, достигается тем, что в стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника постоянного напряжения непосредственно, а инверсный выход - через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор и непосредственно соединен с входом управления ключа, первый вывод которого соединен с вторым выводом источника постоянного напряжения, второй вывод - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего, по крайней мере, одну вторичную обмотку, которая через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, два диода, интегрирующую RC-цепь, по крайней мере, один стабилитрон, второй и третий резисторы, введен второй конденсатор, а импульсный трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, первый вывод которой подключен к второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод - к аноду первого диода, катод которого подключен через второй конденсатор к второму выводу источника постоянного напряжения и через последовательно соединенные второй резистор и, по крайней мере, один стабилитрон к входу триггера Шмитта и катоду второго диода, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора. Кроме того, выпрямитель выполнен по мостовой схеме.

Указанная совокупность признаков позволяет упростить стабилизированный преобразователь, исключить значительное число электрорадиоэлементов и обеспечить стабилизацию нескольких гальванически развязанных выходных вторичных напряжений за счет расширения функций импульсного трансформатора и триггера Шмитта. Мостовой выпрямитель обеспечивает оптимальное сочетание величин коэффициента полезного действия и коэффициента стабилизации в предлагаемом преобразователе.

На фиг.1 приведена структурная схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит (фиг.1) источник 1 постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор 2 напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта 3, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения непосредственно, а инверсный выход - через последовательно соединенные первые резистор 4 и конденсатор 5 и непосредственно соединен с входом управления ключа 6. Первый вывод ключа 6 соединен с вторым выводом источника 1 постоянного напряжения, второй вывод - с первым выводом источника 1 постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора 7.

Две вторичные обмотки 8.1, 8.2 импульсного трансформатора 7, каждая через последовательно соединенные выпрямитель 9.1, 9.2 и фильтр 10.1, 10.2 подключена к соответствующей нагрузке 11.1, 11.2, первый диод 12, интегрирующую RC-цепь 13, второй диод 14, второй и третий резисторы 15 и 16 соответственно, два стабилитрона 17.1, 17.2, дополнительную вторичную обмотку 18 импульсного трансформатора, первый вывод которой подключен к второму выводу источника 1 постоянного напряжения, второй вывод - к аноду первого диода 12, катод которого подключен через второй конденсатор 19 к второму выводу источника 1 постоянного напряжения и через последовательно соединенные резистор 15 и два стабилитрона 17.1, 17.2 к входу триггера Шмитта 3 и катоду диода 14, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи 13, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого через резистор 16 подключен к точке 20 соединения резистора 4 и конденсатора 5. Выпрямители 9.1, 9.2 выполнены по мостовой схеме.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) работает следующим образом.

При рассмотрении работы следует учесть, что в примере конкретного выполнения (фиг.1) представлена схема включения с трансформаторным выходом и цепью первичной обратной связи с использованием дополнительной вторичной обмотки 18.

Такая схема необходима в преобразователях, где требуется гальваническая развязка и возможно изменение как тока нагрузки 11.1, так и величины напряжения источника 1 постоянного тока. За счет работы на холостом ходу изменения напряжения на дополнительной вторичной обмотке 18 существенно выше, чем на нагрузочных обмотках 8.1, 8.2, что обеспечивает высокую чувствительность регулирования, стабилизации.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, где:

U₁₁ - стабилизированное напряжение на любой из нагрузок 11.1, 11.2 с учетом пульсаций, для наглядности они увеличены, зависят от параметров фильтра 10.1, 10.2;

U₂₀ - напряжение автогенерации в суммирующей токи заряда конденсатора 5 точке 20 с учетом гистерезиса (0,9 В) триггера Шмитта 3, порог включения которого равен 3,2 В, порог выключения равен 2,3 В при питании его от параметрического стабилизатора 2 напряжением 5 В, величины которых неизменны при любом изменении напряжения источника 1 постоянного тока;

U₃ - напряжение на выходе триггера Шмитта 3 и управляющем входе ключа 6, поступающее с управляемого автогенератора, включающего триггер Шмитта 3 и цепи обратной связи;

I₆ - ток в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора 7;

U₁ - напряжение источника 1 постоянного напряжения;

U₆ - напряжение на выходе ключа 6, подключенного к первичной обмотке импульсного трансформатора 7.

Наращиванием числа стабилитронов 17.1, 17.2 в цепи дополнительной обмотки 18 подбирается необходимое напряжение стабилизации и обеспечивается оптимальная величина коэффициента полезного действия.

Обратная связь по напряжению обеспечивается за счет дополнительной обмотки 18 импульсного трансформатора 7. Напряжение источника 1 постоянного тока приложено к первичной обмотке, другой выход которой подключен к выходу силового ключа 6, выполненного на транзисторе (на фиг.1 не показан). При среднем значении напряжения источника 1, равном U₁=20 В, коммутация ключа 6 происходит с частотой 25 кГц, скважность импульсов U₃, I₆ близка к двойке, что задается генератором на инвертирующем триггере Шмитта 3 с тремя цепями обратной связи. Это постоянно работающая, основная цепь: “резистор 4 - конденсатор 5”. Это дополнительная цепь: “интегрирующая RC-цепь 13 - диод 14 - резистор 16”, особенно эффективно вступающая в процесс стабилизации при понижении напряжения U₁ ниже 20 В, вплоть до 13 В (скважность импульсов U₃, U₆, I₆ при этом уменьшается, см. фиг.2). Эта дополнительная цепь первичной обратной связи: “обмотка 18 - диод 12 -конденсатор 19 - резистор 15 - стабилитроны 17.1, 17.2 - резистор 16”, работающая во всем диапазоне напряжений U₁ от 13 до 30 В и выше. Напряжение с вторичных обмоток 8.1, 8.2 трансформатора 7 выпрямляются мостовыми выпрямителями 9.1, 9.2, фильтруются фильтрами 10.1, 10.2 и поступают в нагрузку 11.1, 11.2. Напряжение обратной связи с обмотки 18 фильтруется конденсатором 19. Регулирование происходит таким образом, что на конденсаторе 19 поддерживается напряжение

U₁₉=20,55 В=2,55 В + 2х9 В,

где 2,55 В - среднее напряжение в точке 20 (усредненное значение пороговых напряжений триггера Шмитта 3);

2х9 В=18 В - напряжение двух последовательно включенных стабилитронов 17.1, 17.2 типа 2С191Е.

Когда выпрямленное напряжение первичной обратной связи на конденсаторе 19 достигает рабочего уровня в суммирующую точку 20 начинает протекать ток управления. Рост усредненного значения тока управления происходит при увеличении напряжения (U₁=30 В, фиг.2) источника 1 и(или) уменьшении нагрузки, что приводит к увеличению скважности импульсов, управляющих работой силового ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U₁₉, U₁₁) точки стабилизации. Уровень выходного напряжения определяется соотношением витков обмотки 18 обратной связи и витков вторичных обмоток 8.1, 8.2. В примере по фиг.1 и 2 соотношение витков выбрано равным единице для наглядности. Противоположное изменение усредненного значения тока управления в точке 20 происходит при уменьшении напряжения (U₁=13, фиг.2) источника 1 и(или) увеличении нагрузки, что приводит к уменьшению скважности импульсов (U₃, U₆, I₆), управляющих работой силового ключа 6. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U₁₉, U₁₁) точки стабилизации. При более точном описании следует учесть также и изменение частоты коммутации силового ключа 6, но при этом пульсация выходных напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 - неизменна по амплитуде, это - достоинство. При напряжении U₁=13 В - частота коммутации равна 50 кГц, при напряжении U₁=30 В - частота коммутации равна 10 кГц, при напряжении U₁=20 В - частота коммутации равна 25 кГц.

Поскольку все обмотки 8.1, 8.2 в том числе и регулировочная дополнительная вторичная обмотка 18 принадлежат одному трансформатору 7, то напряжения на них изменяются синхронно, а скважность и частота импульсов изменяются в противоположную, компенсирующую сторону, чем и обеспечена стабилизация всех напряжений на нагрузках 11.1, 11.2 от одной обмотки 18 в цепи первичной трансформаторной обратной связи. Она включена на триггер Шмитта, имеющий свою основную и дополнительную (стабилизирующую) цепь обратной связи. Резисторы 15 и 16 помимо участия в цепях обратных связей играют еще и роль ограничительных для токов во входную цепь микросхемы триггера Шмитта 3. При такой организации цепей обратной связи пульсации на нагрузке 11.1, 11.2 минимальны, а коэффициент стабилизации по току и напряжению - максимален в широком диапазоне рабочих выходных токов нагрузок 11.1, 11.2 и напряжений источника 1.

Заявленное изобретение позволяет упростить стабилизированный преобразователь постоянного напряжения путем исключения значительного числа радиоэлементов и обеспечить стабилизацию нескольких выходных вторичных напряжений за счет расширения функций импульсного трансформатора и триггера Шмитта.

Триггер Шмитта используется не только для автогенерации импульсов, но и как регулирующее устройство, обеспечивающее стабилизацию за счет двух дополнительных цепей обратной связи.

Импульсный трансформатор используется не только для питания нагрузочных вторичных обмоток, но и для запитки дополнительной регулирующей обмотки, работающей практически на холостом ходу на вход триггера Шмитта и, значит, высокочувствительную компенсацию всех изменений нагрузки и изменений напряжения источника постоянного тока путем изменения скважности и частоты.

Интегрирующая RC-цепь, другие резисторы, конденсаторы, диод включены в цепь триггера Шмитта в последовательности, обеспечивающей широкий диапазон регулирования, минимальные пульсации, оптимальный коэффициент по току и напряжению. Вместо сложных регулирующих устройств на микросхемах частного применения использован простейший элемент “триггер Шмитта” из состава распространенных КМДП-интегральных микросхем серии 564 или других серий отечественных микросхем. Мостовые выпрямители обеспечивают оптимальное сочетание величин коэффициента полезного действия и коэффициента стабилизации в данном преобразователе.

В стабилизированном преобразователе применена серийная, микромощная микросхема триггера Шмитта типа 564ТЛ1, параметрический стабилизатор выполнен на резисторе и опорном стабилитроне. Ключ выполнен на биполярном составном транзисторе из элементов 2Т881А, пригоден и любой БИМОП транзистор, как в прототипе.

Трансформатор выполнен на сердечнике из феррита. Источник 1 постоянного тока - аккумулятор с выходным напряжением от 13 до 30 В, выпрямители 9.1, 9.2 выполнены по мостовой схеме на элементах 2Д906А. Фильтры 10.1, 10.2 выполнены на конденсаторах К52-1БМ. Нагрузки 11.1, 11.2 активные, ток потребления изменялся в два раза. Выпрямители 9.1, 9.2 выполнялись и по однополупериодной схеме для сердечника на молибденовом пермаллое. При этом форма тока I₆ близка к прямоугольному треугольнику, но кольца из магнитодиэлектрика более дороги и дефицитны по сравнению с ферритовыми кольцами без зазора.

Изобретение относится к области электротехники. Достигаемый технический результат - упрощение и обеспечение стабилизации нескольких выходных вторичных напряжений. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит источник 1 постоянного напряжения, подключенный к параметрическому стабилизатору 2 напряжения, выход которого подключен к выводу питания триггера Шмитта 3, инверсный выход которого через последовательно соединенные первые резистор 4 и конденсатор 5 подключен к другому выводу источника 1 постоянного напряжения и непосредственно соединен с входом управления ключа 6, вывод которого соединен с первым выводом источника 1 постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора 7, по крайней мере, одну вторичную обмотку 8 импульсного трансформатора, которая через последовательно соединенные, соответствующие выпрямитель 9 и фильтр 10 подключена к соответствующей нагрузке 11, первый диод 12, интегрирующую RC-цепь 13, второй диод 14, второй и третий резисторы 15 и 16, по крайней мере, один стабилитрон 17. Дополнительная вторичная обмотка 18 импульсного трансформатора 7 подключена к аноду диода 12, катод которого подключен к фильтрующему конденсатору 19 и через последовательно соединенные резистор 15 и, по крайней мере, один стабилитрон 17 к входу триггера Шмитта 3 и катоду диода 14, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи 13, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта 3, вход которого через резистор 16 подключен к точке 20 соединения резистора 4 и конденсатора 5. Выпрямитель 9 выполнен по мостовой схеме. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий источник постоянного напряжения, между первым и вторым выводами которого включен параметрический стабилизатор напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта, второй вывод питания которого подключен к второму выводу источника постоянного напряжения непосредственно, а инверсный выход - через последовательно соединенные первые резистор и конденсатор и непосредственно соединен с входом управления ключа, первый вывод которого соединен с вторым выводом источника постоянного напряжения, второй вывод - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего, по крайней мере, одну вторичную обмотку, которая через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, два диода, интегрирующую RC-цепь, по крайней мере, один стабилитрон, второй и третий резисторы, отличающийся тем, что в него введен второй конденсатор, а импульсный трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, первый вывод которой подключен к второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод - к аноду первого диода, катод которого подключен через второй конденсатор к второму выводу источника постоянного напряжения и через последовательно соединенные второй резистор и, по крайней мере, один стабилитрон к входу триггера Шмитта и катоду второго диода, анод которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой соединен с инверсным выходом триггера Шмитта, вход которого через третий резистор подключен к точке соединения первых резистора и конденсатора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпрямитель выполнен по мостовой схеме.