СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02M3/335 

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

Известен стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (Применение IGBT-приборов фирмы Motorola в импульсных сетевых адаптерах / Компоненты и технологии, №3, 2000 г., стр.44-45, рис.4), 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 ключа - с первым выводом источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего 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, ЭДД-элемент. Точка соединения первых резистора и конденсатора подключена к входу триггера Шмитта, вывод 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 ЭДД-элемента, подключенному к интегрирующему конденсатору и через пятый резистор к выводу второго резистора. Выход ЭДД-элемента 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.

Недостатками данного устройства являются: сложность из-за большого количества радиоэлементов, таких как ЭДД-элемент, диодно-транзисторный оптрон гальванической развязки, регулирующее устройство на микросхеме, резисторы; 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.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (патент ВНИИЭФ №2235353 G05F 1/46, опубликован 27.08.2004 г., БИ №24, авторы В.Г.Можайченко, А.И.Гутников), 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 ключа 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, интегрирующая RC-цепь, по крайней мере, один стабилитрон, второй и третий резисторы, 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. Выпрямители выполнены по мостовой схеме.

Недостаток устройства - недостаточная стабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения и воздействии температуры окружающей среды из-за отсутствия коррекции по форме напряжения регулирования, отсутствия термокомпенсации двух цепей регулирования и управления триггером Шмитта, и выполнения выпрямителя нагрузки по мостовой схеме, а выпрямителя регулирования по однополупериодной схеме.

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

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении стабильности выходных вторичных напряжений.

Этот технический результат достигается тем, что стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит 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 ко второму выводу источника постоянного напряжения, вход триггера Шмитта - к первому выводу первого резистора и аноду стабилитрона, а инверсный выход триггера Шмитта - к первым выводам второго резистора и третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, ключ, вход управления которого подключен к инверсному выходу триггера Шмитта, первый вывод ключа - ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод ключа - к первому выводу источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего n первых вторичных обмоток, где n=1, 2..., каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку, первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод - подключен к аноду первого диода, катод которого подключен к первому выводу четвертого резистора и через второй конденсатор ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй диод. Новым является то, что дополнительно введены третий диод, анод которого подключен ко второму выводу четвертого резистора, а катод - к катоду стабилитрона, и пятый резистор, выводы которого соединены с катодом первого диода и вторым выводом источника постоянного напряжения соответственно, катод второго диода подключен ко второму выводу второго резистора, а анод подключен к точке соединения первых резистора, конденсатора и третьего резистора.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить стабильность выходных напряжений при воздействии температуры окружающей среды и при изменении входного напряжения из-за введения термокомпенсации двух цепей регулирования и управления триггером Шмитта, ввода цепи изменения формы напряжения регулирования путем снижения выходного сопротивления выпрямителя регулирующей обмотки и выполнения выпрямителей регулирования и нагрузки по однополупериодной схеме. Дополнительно упрощается регулировка выходного напряжения нагрузки изменением скважности импульсов.

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

Предлагаемый стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит 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 ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения. Вход триггера Шмитта 3 подключен к первому выводу первого резистора 4 и аноду стабилитрона 5, а инверсный выход триггера Шмитта 3 - к первым выводам второго резистора 6 и третьего резистора 7, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора 4 и через первый конденсатор 8 со вторым выводом источника 1 постоянного напряжения. Вход управления ключа 9 подключен к инверсному выходу триггера Шмитта 3, первый вывод ключа 9 - ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения, второй вывод ключа 9 - к первому выводу источника 1 постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора 10, содержащего n первых вторичных обмоток 11.1, 11.2 (где n=2), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель 12.1, 12.2 и фильтр 13.1, 13.2 подключена к соответствующей нагрузке 14.1, 14.2, и вторую вторичную обмотку 15, первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения, второй вывод - подключен к аноду диода 16, катод которого подключен к первому выводу резистора 17 и через конденсатор 18 ко второму выводу источника 1 постоянного напряжения. Катод диода 19 подключен ко второму выводу резистора 6, а анод - к точке соединения резистора 4, конденсатора 8 и резистора 7, анод диода 20 подключен ко второму выводу резистора 17, а катод - к катоду стабилитрона 5. Выводы резистора 21 соединены с катодом диода 16 и вторым выводом источника 1 постоянного напряжения соответственно. Выпрямители 12.1, 12.2 выполнены по однополупериодной схеме. Фильтры 13.1, 13.2 - пассивные П-образные CLC-фильтры.

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 общей обратной связи с использованием регулирующей вторичной обмотки 15, импульсных диода 20 и стабилитрона 5.

Такая схема необходима в преобразователях, где требуется гальваническая развязка и возможно изменение как тока нагрузок 14.1, 14.2, так и величины напряжения источника 1 постоянного напряжения.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, где:

U₁₄ - стабилизированное напряжение на любой из нагрузок 14.1, 14.2 с учетом пульсаций, для наглядности они увеличены, зависят от параметров фильтров 13.1, 13.2;

U₈ - напряжение автогенерации на конденсаторе 8 в «точке суммирования токов заряда конденсатора 8» с учетом гистерезиса (0,7 В) триггера Шмитта 3, порог включения которого равен 2,7 В, порог выключения равен 2,0 В при питании его от параметрического стабилизатора 2 напряжением 5 В, величины которых неизменны при любом изменении напряжения источника 1 постоянного напряжения за счет параметрического стабилизатора 2, но пороги зависят от температуры окружающей среды, что впрочем не изменяет скважность импульсов;

U₃ - напряжение на выходе триггера Шмитта и управляющем входе ключа 9, поступающее с управляемого автогенератора, включающего триггер Шмитта 3, одну термостабильную и две термокомпенсированные цепи обратной связи (регулирования и управления);

U₁ - напряжение источника 1 постоянного напряжения, называемое далее входным напряжениенм;

U₉ - напряжение на выходе ключа 9, подключенного к первичной обмотке импульсного трансформатора 10.

Необходимое напряжение регулирования стабилизации достигается не только выбором стабилитрона 5 с диодом 20, но и более простым способом: изменением скважности импульсов напряжения на ключе 9, подстраиваемым резистором «управления» 6. Поскольку резистор 21, изменяющий форму напряжения регулирования (пульсаций его), «закорачивает» высокоомную входную цепь триггера Шмитта 3 при появлении питания на выходе параметрического стабилизатора напряжения 2, диод 20 предотвращает этот эффект, участвуя тем самым как в цепи термокомпенсации стабилитрона 5, так и в цепи начального запуска устройства в целом.

Обратная связь по напряжению при изменении входного напряжения от 13 до 30 В обеспечивается за счет цепей, подключенных к обмотке 15 импульсного трансформатора 10. Напряжение источника 1 постоянного напряжения приложено к первичной обмотке, другой выход которой подключен к выходу силового ключа 9, выполненного на полевом переключающем транзисторе с каналом n-типа (на фиг.1 не показан). При среднем значении напряжения источника 1, равном U₁=20 В, коммутация ключа 9 происходит с частотой 32 кГц, скважность импульсов U₃, I₆ близка к двум, что задается генератором на инвертирующем триггере Шмитта 3 с тремя цепями обратной связи. Это первая цепь: «резистор 7 - конденсатор 8», она стабильна изначально выбором элементов. Вторая цепь: «вывод питания и цепь тока утечки триггера Шмита 3 - резистор 4 - конденсатор 8 - прямосмещенный переход диода 19 - резистор 6». Третья цепь: «обмотка 15 - диод 16 - параллельно им подключенный резистор 21 - последовательно подключенные резистор 17 - диод 20 - стабилитрон 5 - «пороговый вход» триггера Шмитта 3». Вторая и третья цепи термокомпенсированы независимо друг от друга. Все три перечисленные цепи входят в контур стабилизации, разделение их условно и выполнено для наглядности. Напряжения с вторичных обмоток 11.1, 11.2 трансформатора 10 выпрямляются однополупериодными выпрямителями 12.1, 12.2, фильтруются фильтрами 13.1, 13.2 и поступают в нагрузку 14.1, 14.2. Диоды 12.1, 12.2, 16 имеют практически равные по величине температурные коэффициенты напряжения (ТКН) одного знака, что повышает стабильность выходных напряжений на нагрузках 14.1, 14.2. Напряжение обратной связи с обмотки 15 фильтруется конденсатором 18. Резистор 21 уменьшает влияние нестабильности при повышении входного напряжения U₁, изменяет форму напряжения регулирования U₈, форму пульсации его, превращая пиковое детектирование после диода 16 в более приглаженную, пульсирующую форму, путем снижения влияния высокого обратного сопротивления пикового детектора на диоде 16 и конденсаторе 18. Тем самым выходные напряжения цепи регулирования и нагрузки имеют близкие по форме пульсации.

Когда выпрямленное напряжение общей обратной связи на конденсаторе 18 достигает рабочего уровня, в «точку суммирования токов заряда конденсатора 8» 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 U₃, управляющих работой силового ключа 9. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U₁₈, U₁₄) точки стабилизации. Уровень выходного напряжения определяется соотношением витков обмотки 15 обратной связи и витков вторичных обмоток 11.1, 11.2. Противоположное изменение усредненного значения тока управления в «точке суммирования токов заряда конденсатора 8» происходит при уменьшении входного напряжения (U₁=13 В, фиг.2) источника 1 и (или) увеличении нагрузки, что приводит к уменьшению скважности импульсов U₃, управляющих работой силового ключа 9. Этот процесс продолжается до достижения выходным напряжением (U₁₈, U₁₄) точки стабилизации. При изменении скважности изменяется и частота коммутации силового ключа 9. При напряжении U₁=13 В частота коммутации равна 50 кГц, при напряжении U₁=30 В - частота коммутации 26 кГц, при напряжении U₁=20 В - частота коммутации 32 кГц.

Поскольку все обмотки 11.1, 11.2, в том числе и регулировочная вторичная обмотка 15, принадлежат одному импульсному трансформатору 10, то напряжения на них изменяются синхронно, а скважность и частота импульсов изменяются в противоположную, компенсирующую сторону, чем и обеспечена стабилизация всех напряжений на нагрузках 14.1, 14.2 от одной обмотки 15 в цепи трансформаторной обратной связи. Она включена на триггер Шмитта 3. Резисторы 4 и 17 помимо участия в цепях обратных связей играют еще и роль ограничительных для токов во входную цепь микросхемы триггера Шмитта 3.

Повышенная стабильность выходного напряжения при увеличении входного напряжения U₁ обеспечивается уменьшением влияния выходного обратного сопротивления выпрямителя с диодом 16 в цепи регулирующей обмотки 15 за счет параллельного включения резистора 21, но при этом необходим диод 20 для обеспечения начального пуска устройства в целом при включении питания (источника 1). Повышенная стабильность выходного напряжения на нагрузках 14.1, 14.2 при изменении температуры окружающей среды с одной стороны обеспечивается термокомпенсацией положительного ТКН импульсного стабилитрона 5, равным отрицательным ТКН диода 20, и равенством ТКН диодов 16, 12.1 и 12.2. С другой стороны температурное изменение сопротивления (тока) утечки между входом триггера Шмитта 3 и цепью его питания (выходом параметрического стабилизатора 2) компенсируется изменением скважности импульсов напряжения U₃ за счет отрицательного ТКН диода 19, включенного последовательно с резистором 6. Поскольку увеличение температуры приводит к увеличению тока утечки, то уменьшается длительность t_и (см. t_и на диаграмме U₃, фиг.2). С другой стороны отрицательный ТКН диода 19 приводит к уменьшению паузы t_п (см. t_п на диаграмме U₃, фиг.2), а, значит, скважность импульсов остается неизменной.

Заявленное изобретение позволяет повысить стабильность выходных напряжений при воздействии температуры окружающей среды и при увеличении входного напряжения из-за введения термокомпенсации двух цепей регулирования и управления триггером Шмитта, выполнения выпрямителей нагрузки и регулирования по однополупериодной схеме, ввода цепи коррекции формы напряжения регулирования путем снижения выходного сопротивления выпрямителя регулирующей обмотки.

Необходимое входное напряжение для начала стабилизации достигается не обязательно выбором диода 20 со стабилитроном 5 по напряжению стабилизации, но и более простым способом: изменением скважности импульсов напряжения на триггере Шмитта и ключе, подстраиваемом единственным резистором 6.

В стабилизированном преобразователе применена серийная микромощная микросхема триггера Шмитта типа 564ТЛ1 или 1526ТЛ1, параметрический стабилизатор выполнен на резисторе и опорном стабилитроне 2С156В. Силовая часть ключа 9 выполнена на полевом переключающем транзисторе с каналом n-типа (2П762А). Управляющая часть ключа 9 выполнена на трех остальных элементах микросхемы 564ТЛ1 (или 1526ТЛ1), соединенных последовательно и параллельно к затвору 2П762А.

Трансформатор выполнен на сердечнике из пермаллоя МП140. Источник 1 постоянного напряжения - аккумулятор с выходным напряжением от 13 до 30 В, выпрямители 12.1, 12.2 выполнены по однополупериодной схеме на диодах 2Д106А, а выпрямитель 16 - на диоде 2Д522Б. Стабилитрон 5 - импульсный типа 2С191Ц, диод 20 - импульсный типа 2Д522Б. Сопротивление резистора 21 равно 62 кОм. Конденсатор 18 равен 0,33 мкФ. Фильтры 13.1, 13.2 выполнены на конденсаторах К53-18 и дросселях ДМ. Нагрузки 14.1, 14.2 активные, ток потребления изменялся в два раза. Форма тока в цепи ключа 9 близка к трапеции при малых напряжениях, время протекания тока определяется длительностью t_и положительных импульсов на выходе триггера Шмитта 3. Стабильность выходных напряжений увеличилась в два раза. Обеспечена регулировка выходных напряжений одним резистором 6 вместо сложных манипуляций со стабилитроном 5 и двумя RC-цепями управления прототипа.

Изобретение относится к области электротехники. Достигаемый технический результат - повышение стабильности при изменении температуры окружающей среды и входного напряжения. Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) содержит источник (1) постоянного напряжения, между первым и вторым выходами которого включен параметрический стабилизатор (2) напряжения, выход которого подключен к первому выводу питания триггера Шмитта (3), второй вывод питания которого подключен ко второму выводу источника (1) постоянного напряжения, вход триггера Шмитта (3) - к первому выводу первого резистора (4) и аноду стабилитрона (5), а инверсный выход триггера Шмитта (3) - к первым выводам второго резистора (6) и третьего резистора (7), второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора (4) и через первый конденсатор (8) со вторым выводом источника (1) постоянного напряжения, ключ (9), вход управления которого подключен к инверсному выходу триггера Шмитта (3), первый вывод ключа - ко второму выводу источника (1) постоянного напряжения, второй вывод ключа - к первому выводу источника (1) постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора (10), содержащего п первых вторичных обмоток (11.1), (11.2) (где n=2), каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель (12.1), (12.2) и фильтр (13.1), (13.2) подключена к соответствующей нагрузке (14.1), (14.2), и вторую вторичную обмотку (15), первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника (1) постоянного напряжения, второй вывод - подключен к аноду первого диода (16), катод которого подключен к первому выводу четвертого резистора (17) и через второй конденсатор (18) ко второму выводу источника (1) постоянного напряжения, второй диод (19), отличающийся тем, что дополнительно введены третий диод (20), анод которого подключен ко второму выводу четвертого резистора (17), а катод - к катоду стабилитрона (5), и пятый резистор (21), выводы которого соединены с катодом первого диода (16) и вторым выводом источника (1) постоянного напряжения соответственно, катод второго диода (19) подключен ко второму выводу второго резистора (6), а анод подключен к точке соединения первых резистора (4), конденсатора (8) и третьего резистора (7). 2 ил.

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 ко второму выводу источника постоянного напряжения, вход триггера Шмитта подключен к первому выводу первого резистора и аноду стабилитрона, а инверсный выход триггера Шмитта - к первым выводам второго резистора и третьего резистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом первого резистора и через первый конденсатор со вторым выводом источника постоянного напряжения, ключ, вход управления которого подключен к инверсному выходу триггера Шмитта, первый вывод ключа - ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод ключа - к первому выводу источника постоянного напряжения через первичную обмотку импульсного трансформатора, содержащего n первых вторичных обмоток, где n=1, 2, ..., каждая из которых через последовательно соединенные соответствующие выпрямитель и фильтр подключена к соответствующей нагрузке, и вторую вторичную обмотку, первый вывод которой непосредственно подключен ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй вывод - подключен к аноду первого диода, катод которого подключен к первому выводу четвертого резистора и через второй конденсатор ко второму выводу источника постоянного напряжения, второй диод, отличающийся тем, что дополнительно введены третий диод, анод которого подключен ко второму выводу четвертого резистора, а катод - к катоду стабилитрона, и пятый резистор, выводы которого соединены с катодом первого диода и вторым выводом источника постоянного напряжения соответственно, катод второго диода подключен ко второму выводу второго резистора, а анод - к точке соединения первых резистора, конденсатора и третьего резистора.