ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2006 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания высокочувствительных радиоприемных устройств, синтезаторов частот, генераторов эталонного сигнала, научной аппаратуры и т.д., предназначенных для работы, например, в составе бортовой аппаратуры, радиоэлектронных наземных, морских и аэрокосмических комплексов.

Известен преобразователь напряжения, описанный в сборнике "Полупроводниковая электроника в технике связи" под редакцией И.Ф.Николаевского, выпуск 23, М.: Радио и связь, 1983 г., в статье М.С.Войтика "Помехи в источниках питания с бестрансформаторным входом" на стр.174-177, рис.3.

Известное устройство содержит предоконечный трансформатор, выходные транзисторы, выходной импульсный трансформатор, выходной выпрямитель и выходной фильтр. Недостатком известного преобразователя напряжения является значительный уровень создаваемых радиопомех.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является преобразователь напряжения, описанный в сборнике "Полупроводниковая электроника в технике связи" под редакцией И.Ф.Николаевского, выпуск 28, М.: Радио и связь, 1990 г., в статье И.Г.Фильцера и Ю.Е.Овчинникова "Микромощный многоканальный источник питания" на стр.176-178.

Известный преобразователь напряжения содержит схему управления, предоконечные каскады, конденсаторы, выходные транзисторы, выходной трансформатор, выходные выпрямители и выходные фильтры.

Первый и второй выходы схемы управления соединены соответственно с входами предоконечных каскадов. Выходы каскадов подключены соответственно к первым выводам конденсаторов. Эмиттеры выходных транзисторов соединены с общей шиной. Между коллекторами транзисторов включена первичная обмотка выходного трансформатора. Средняя точка этой обмотки соединена с входом преобразователя. Вторичные обмотки трансформатора через соответствующие выходные выпрямители и выходные фильтры соединены с выходом преобразователя.

Недостатком известного преобразователя напряжения является значительный уровень создаваемых радиопомех, который складывается из следующих составляющих:

- значительная величина пульсации тока, создаваемого преобразователем в цепи шин первичной сети;

- значительная величина напряженности электромагнитного поля, возбуждаемого выходными транзисторами, выходным трансформатором и выходными выпрямителями;

- значительная величина полного размаха напряжения пульсаций на выходах преобразователя напряжения.

Задачей настоящего изобретения является создание преобразователя напряжения с низким уровнем генерируемых им радиопомех.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение напряженности поля электромагнитных помех, создаваемых преобразователем, за счет формирования волны напряжения трапецеидальной формы со сглаженными углами на коллекторах выходных транзисторов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный преобразователь напряжения, содержащий схему управления, первый и второй предоконечные каскады, выходы которых соответственно соединены с первыми выводами первого и второго конденсаторов, первый и второй выходные транзисторы, эмиттеры которых соединены с общей шиной, и выходной трансформатор, первичная обмотка которого включена между коллекторами упомянутых транзисторов, а ее средняя точка - с входной клеммой, при этом каждая вторичная обмотка трансформатора через соответствующие выходной выпрямитель и выходной фильтр подключена к соответствующим выходным клеммам, введены первый и второй резисторы, включенные соответственно между первым и вторым выходами схемы управления и входами первого и второго предоконечных каскадов, и первый и второй формирователи траектории рабочей точки выходного транзистора, входы которых соединены соответственно с вторыми выводами первого и второго конденсаторов, первый и второй выходы первого формирователя соответственно подключены к базе и коллектору первого выходного транзистора, а первый и второй выходы второго формирователя - к базе и коллектору второго выходного транзистора, при этом каждый из формирователей траектории рабочей точки выходного транзистора содержит первый диод, анод которого соединен с входом формирователя траектории рабочей точки выходного транзистора и катодом второго диода, катод первого диода через последовательно включенные третий и четвертый резисторы соединен с первым выходом формирователя траектории рабочей точки выходного транзистора, анод второго диода соединен с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого подключен к точке соединения третьего и четвертого резисторов и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, анод третьего диода соединен с вторым выходом формирователя траектории рабочей точки выходного транзистора, катод третьего диода соединен с первым выводом четвертого конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выходу формирователя траектории рабочей точки выходного транзистора, параллельно к третьему диоду подключен шестой резистор.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена электрическая схема преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения содержит схему 1 управления, первый выход которой через резистор 2 соединен с входом предоконечного каскада 3, а второй выход через резистор 4 соединен с входом предоконечного каскада 5. Выход каскада 3 соединен с первым выводом конденсатора 6. Диоды 7, 8, резисторы 9, 10, 11, конденсаторы 12, 13, резистор 14, диод 15 образуют первый формирователь 16 траектории рабочей точки выходного транзистора 17, а диоды 18, 19, резисторы 20, 21, 22, конденсаторы 23, 24, резистор 25, диод 26 образуют второй формирователь 27 траектории рабочей точки выходного транзистора 28. Упомянутые формирователи выполнены идентично. Второй вывод конденсатора 6 соединен с входом формирователя 16 траектории рабочей точки и, таким образом, соединен с анодом диода 7 и катодом диода 8. Катод диода 7 через последовательно включенные резисторы 9 и 11 соединен с первым выходом формирователя 16 траектории рабочей точки и, таким образом, соединен с базой выходного транзистора 17. Выход каскада 5 соединен с первым выводом конденсатора 29. Второй вывод конденсатора 29 соединен с входом формирователя 27 траектории рабочей точки и, таким образом, соединен с анодом диода 18 и катодом диода 19. Катод диода 18 через последовательно включенные резисторы 20 и 22 соединен с первым выходом формирователя 27 траектории рабочей точки и, таким образом, соединен с базой выходного транзистора 28. Анод диода 8 через резистор 10 соединен с первым выводом конденсатора 12 и точкой соединения резисторов 9 и 11. Второй вывод конденсатора 12 соединен с общей шиной. Анод диода 19 через резистор 21 соединен с первым выводом конденсатора 23 и точкой соединения резисторов 20 и 22. Второй вывод конденсатора 23 соединен с общей шиной. Эмиттеры транзисторов 17 и 28 соединены с общей шиной. Между коллекторами транзисторов 17 и 28 включена первичная обмотка выходного трансформатора 30, средняя точка которой подключена к входной клемме питающей сети 31. Коллектор транзистора 17 соединен с вторым выходом формирователя 16 траектории рабочей точки и, таким образом, через последовательно соединенные резистор 14 и конденсатор 13 соединен с первым выходом формирователя 16 траектории рабочей точки, и, таким образом, соединен с базой транзистора 17. Параллельно резистору 14 подсоединен диод 15, причем его анод соединен с вторым выходом формирователя 16 траектории рабочей точки. Коллектор транзистора 28 соединен с вторым выходом формирователя 27 траектории рабочей точки и, таким образом, через последовательно соединенные резистор 25 и конденсатор 24 соединен с первым выходом формирователя 27 траектории рабочей точки и, таким образом, соединен с базой транзистора 28. Параллельно резистору 25 подсоединен диод 26, причем его анод соединен с вторым выходом формирователя 27 траектории рабочей точки. Каждая вторичная обмотка выходного трансформатора 30 через выходной выпрямитель и выходной фильтр 32, выходной выпрямитель и выходной фильтр 33 подключена к соответствующим выходным клеммам.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. После поступления низковольтного вспомогательного напряжения начинает работать схема 1 управления. Противофазные колебания напряжений прямоугольной формы с ее выходов через резисторы 2 и 4 поступают на входы каскадов 3 и 5. Резистор 2 совместно с входной емкостью каскада 3 образует интегрирующее звено, которое делает форму колебаний на выходе каскада 3 более мягкой (с заваленными фронтами) за счет некоторого увеличения длительности фронтов упомянутых колебаний. Аналогично действуют и элементы 4 и 5. Положительные открывающие импульсы на выходах каскадов 3 и 5 появляются поочередно. Далее эти открывающие импульсы поочередно поступают на базы транзисторов 17 и 28. Это приводит к поочередному открыванию транзисторов 17 и 28, перемагничиванию трансформатора 30, появлению переменного магнитного поля в сердечнике трансформатора, переменного напряжения на вторичных обмотках трансформатора и, следовательно, постоянных выпрямленных и отфильтрованных за счет элементов 32 и 33 напряжений на выходных клеммах "Uвых.1"и "Uвых.2".

В моменты открывания транзисторов 17 и 28 на их базах по отношению к эмиттерам формируются положительные импульсы.

В перерывах между открывающими импульсами благодаря конденсаторам 6 и 29 формируются отрицательные закрывающие импульсы, что обеспечивает надежную работу транзисторов 17 и 28 в широком диапазоне рабочих температур. Следует отметить, что здесь не рассматриваются преобразователи с полевыми транзисторами с изолированным затвором на входе, поскольку эти транзисторы по сравнению с биполярными транзисторами существенно уступают последним по устойчивости к радиационным воздействиям. В момент появления положительного открывающего импульса на выходе каскада 3 открывающий ток в базу транзистора 17 идет по цепи: выход каскада 3 - конденсатор 6 - диод 7 - резистор 9 - резистор 11 - база транзистора 17. В момент открывания транзистора 17 ток, поступающий через резистор 14 и конденсатор 13, оказывает тормозящее действие на процесс открывания упомянутого транзистора. Однако этот эффект имеет незначительное влияние на процесс открывания транзистора 17, поскольку величина емкости конденсатора 13 выбирается небольшой, а величина резистора 14 - значительной. В рассматриваемый момент времени резистор 9 и конденсатор 12 образуют интегрирующее звено, которое определяет скорость нарастания тока через транзистор 17 и, следовательно, определяет крутизну спада напряжения на коллекторе транзистора 17. На этом процесс открывания транзистора 17 заканчивается. Затем следует стадия формирования плоской вершины. После окончания положительного импульса на правой обкладке (по чертежу) конденсатора 6 начинается стадия выключения транзистора 17. Конденсатор 12 был заряжен до максимально положительного значения во время прохождения положительного импульса. Поэтому при относительно быстром изменении полярности напряжения на правой обкладке конденсатора 6 с положительной на отрицательную происходит закрывание диода 7 и открывание диода 8. В рассматриваемый момент времени плавно закрывается транзистор 17. На этой стадии ток в базу транзистора 17 проходит по цепи: выход каскада 3 - конденсатор 6 - диод 8 - резистор 10 - резистор 11 - база транзистора 17. Резистор 10 и конденсатор 12 образуют интегрирующее звено, которое в значительной мере определяет скорость спада тока через транзистор 17. Кроме того, конденсатор 13 и диод 15 оказывают тормозящее влияние на выключение транзистора 17.

Далее полярность напряжения на правой обкладке конденсатора 6 изменяется с положительной на отрицательную, что приводит к выключению транзистора 17. В ту часть полупериода, когда открыт транзистор 17, транзистор 28 остается закрытым за счет того, что между его базой и эмиттером приложено отрицательное закрывающее напряжение. В следующий полупериод транзисторы 17 и 28 меняются ролями, т.е. открытым оказывается транзистор 28, а закрытым транзистор 17. Далее процесс повторяется. Следует отметить, что ток базы выходного транзистора верхнего плеча преобразователя напряжения определяется первым формирователем 16 траектории рабочей точки выходного транзистора 17 как сумма токов, поступающих от резистора 11 и конденсатора 13. При этом роль составляющей тока по цепи конденсатора 13 состоит в замедлении выключения транзистора 17, поскольку при включении упомянутого транзистора индуктивность первичной обмотки трансформатора 30 препятствует быстрому нарастанию тока коллектора транзистора 17. Аналогично работает и второй формирователь 27 траектории рабочей точки транзистора 28 в момент выключения последнего.

Таким образом, благодаря наличию элементов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 верхнего плеча преобразователя напряжения, образующих первый формирователь 16 траектории рабочей точки выходного транзистора 17, и наличию элементов 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 нижнего плеча преобразователя напряжения, образующих второй формирователь 27 траектории рабочей точки выходного транзистора 28, обеспечивается получение на коллекторах выходных транзисторов волны напряжения трапецеидальной формы со сглаженными углами. В свою очередь, за счет этого резко уменьшается уровень радиопомех, генерируемых преобразователем напряжения.

В предложенном преобразователе напряжения скорость нарастания тока при включении выходного транзистора верхнего плеча определяется элементами 7, 9, 11, 12, а скорость спада тока коллектора упомянутого транзистора определяется элементами 8, 10, 11, 12, 13, 15. Поскольку схема нижнего плеча идентична схеме верхнего плеча, то процессы, происходящие в нижнем плече, идентичны рассмотренным выше. Уровень создаваемых преобразователем напряжения радиопомех и их спектр зависит от скорости изменения напряжения и тока в выходных каскадах.

Поскольку скорость нарастания напряжения и скорость спада напряжения в предложенном преобразователе определяется группами различных элементов, то это позволяет оптимизировать уровень генерируемых помех в зависимости от свойств выходных транзисторов, трансформатора, выпрямительных диодов и дросселей. Эти свойства предложенного преобразователя являются его принципиальным преимуществом. За счет понижения создаваемых радиопомех в предложенном преобразователе напряжения отпадает необходимость в использовании экранирующих корпусов, проходных конденсаторов и проходных фильтров, что позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры. Кроме того, в бортовой аппаратуре расстояния между преобразователями напряжения и радиоаппаратурой могут быть существенно сокращены, что также улучшает габаритно-массовые характеристики.

Прототип преобразователя, а также часто используемые преобразователи напряжения фирм "Interpoint" (США), "Comuter products" имеют уровень пульсаций тока, создаваемого в цепи шин первичной сети, 100 мА, а уровень пульсаций предложенного преобразователя, используемого для питания малогабаритного приемника в этой же цепи без дополнительных входных фильтров, составляет 10 мА, что говорит о снижении уровня радиопомех этого рода на порядок. Такой эффект достигается за счет введения формирователя траектории рабочей точки выходного транзистора.

Изготовители отечественных микромодульных преобразователей напряжения, таких фирм как "Континент" и "Ирбис", в своей документации не приводят значения данного параметра, однако его величина в упомянутых устройствах находится на том же уровне, что и у импортных микромодульных преобразователей.

Между тем, следует подчеркнуть, что помехи, создаваемые преобразователем напряжения на проводах питающей сети, создают не менее опасное воздействие на окружающую аппаратуру, чем, например, пульсация выходных напряжений.

Напряженности поля электромагнитных помех, создаваемых предложенным преобразователем, по сравнению с прототипом и другими микромодульными преобразователями напряжения существенно меньше, что обусловлено введением формирователей траектории рабочей точки выходного транзистора. Напряженность электрического поля (Е) помех, создаваемого предложенным преобразователем напряжения на расстоянии 1 м от поверхности функционирующего прибора в диапазоне частот от 1 кГц до 30 МГц, не превышает уровня 60 дБ мкВ/м. Напряженность магнитного поля (Н) помех, создаваемого предложенным преобразователем на расстоянии 1 м от поверхности функционирующего прибора в диапазоне частот 1...300 кГц, не превышает уровня 60 дБ мкА/м.

Полный размах пульсаций напряжения на выходах микромодульных преобразователей напряжения, используемых наиболее часто на сегодняшний день, таких как "Interpoint", "Computer products", "Континент", "Ирбис", а также в прототипе составляет 50-200 милливольт, а в предложенном преобразователе напряжения 5 милливольт, что достигается за счет введенных формирователей траектории рабочей точки выходного транзистора.

Предложенный преобразователь напряжения реализован в виде интегральной микросхемы. Выходной трансформатор и другие выходные элементы расположены отдельно. Использование предложенного преобразователя напряжения позволит повысить надежность работы высокочувствительных радиоприемных устройств, синтезаторов частот, генераторов эталонного сигнала, научной аппаратуры и не только, позволит сократить габариты и массу аппаратуры.

Из всех отечественных преобразователей напряжения предлагаемый преобразователь напряжения на сегодняшний день имеет наиболее высокие показатели по электромагнитной совместимости.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное относится к электротехнике и может быть использован в источниках питания высокочувствительных радиоприемных устройств, синтезаторов частот, генераторов эталонного сигнала, научной аппаратуры и т.д., предназначенных для работы, например, в составе бортовой аппаратуры, радиоэлектронных наземных, морских и аэрокосмических комплексов. Преобразователь содержит схему управления, имеющую первый и второй выходы, каждый из которых соответственно подключен к последовательно соединенным резистору, предоконечному каскаду, конденсатору и формирователю траектории рабочей точки выходного транзистора. Первый и второй выход каждого формирователя подключены к базе и коллектору соответствующего выходного транзистора, первичная обмотка выходного трансформатора включена между коллекторами упомянутых транзисторов, ее средняя точка является входом устройства, каждая вторичная обмотка трансформатора через соответствующий выходной выпрямитель и выходной фильтр подключена к соответствующей выходной клемме преобразователя. Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение напряженности поля электромагнитных помех, создаваемых преобразователем, за счет формирования волны напряжения трапецеидальной формы со сглаженными углами на коллекторах выходных транзисторов. 1 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий схему управления с противофазными колебаниями напряжений на выходах, первый и второй предоконечные каскады с поочередно появляющимися положительными открывающими импульсами на выходах, которые соответственно соединены с первыми выводами первого и второго конденсаторов, первый и второй выходные транзисторы, эмиттеры которых соединены с общей шиной и выходной трансформатор, первичная обмотка которого включена между коллекторами упомянутых транзисторов, а ее средняя точка - с входной клеммой, при этом каждая вторичная обмотка трансформатора через выходной выпрямитель и выходной фильтр подключена к соответствующим выходным клеммам, отличающийся тем, что в него введены первый и второй резисторы, включенные соответственно между первым и вторым выходами схемы управления и входами первого и второго предоконечных каскадов, и первый и второй формирователи траектории рабочей точки выходного транзистора, входы которых соединены соответственно со вторыми выводами первого и второго конденсаторов, первый и второй выходы первого формирователя соответственно подключены к базе и коллектору первого выходного транзистора, а первый и второй выходы второго формирователя - к базе и коллектору второго выходного транзистора, при этом каждый формирователь рабочей точки выходного транзистора содержит первый диод, анод которого соединен с входом формирователя и катодом второго диода, катод первого диода через последовательно включенные третий и четвертый резисторы соединен с первым выходом формирователя, анод второго диода соединен с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого подключен к точке соединения третьего и четвертого резисторов и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, анод третьего диода соединен со вторым выходом формирователя, катод третьего диода соединен с первым выводом четвертого конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выходу формирователя, параллельно к третьему диоду подключен шестой резистор.