ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

В настоящее время известен однотактный преобразователь постоянного напряжения (Patent US 6842350 В2, Jan. 11.2005, «DC-to-DC converter with flyback period detector circuit»), содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором-выходным фильтром, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП интегральной схемы логического инвертора (КМОП ИС ЛИ), а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора-фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора, конец которой соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора-фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой, соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ, объединенным с первым выводом третьего резистора к выходному выводу логической схемы И-НЕ подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора к которому подсоединен второй вывод третьего резистора, регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства.

Недостатком известного устройства является низкий КПД в связи с тем, что питание узла управления полевым транзистором осуществляется от входных выводов преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является однотактный преобразователь постоянного напряжения (Патент РФ №2563976 от 18.11.2014 г.), содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором-выходным фильтром, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП ИС ЛИ, а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора-фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора, конец которой соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора-фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой, соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ, объединенным с первым выводом третьего резистора и с первым выводом последовательной RC-цепи второй вывод которой подключен к выходному выводу логической схемы И-НЕ подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора к которому подсоединен второй вывод третьего резистора, регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства, а база - ко второму выводу стабилитрона объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ.

Недостатком известного устройства является низкий КПД, в связи с тем, что питание узла управления полевым транзистором осуществляется от входных выводов преобразователя.

Задачей изобретения является повышение КПД устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором-выходным фильтром, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП ИС ЛИ, а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора, конец которой соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора-фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой, соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ, объединенным с первым выводом третьего резистора и с первым выводом последовательной RC-цепи второй вывод которой подключен к выходному выводу логической схемы И-НЕ подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора к которому подсоединен второй вывод третьего резистора, регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства, а база - ко второму выводу стабилитрона объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, предлагается дополнительно ввести шестой и седьмой резистор, а также запускающий транзистор, коллектор которого подключен к плюсовому выводу питания всех КМОП ИС ЛИ, эмиттер соединен через шестой резистор с первым входным выводом устройства, а база подсоединена ко второму выводу конденсатора-фильтра, соединенному через седьмой резистор с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ. Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведена схема электрическая однотактного преобразователя постоянного напряжения, на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений на элементах устройства.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор 1, вторичная обмотка 2 которого подключена через диодный выпрямитель 3 к выходным выводам устройства 4, шунтированным конденсатором-выходным фильтром 5, начало первичной обмотки 6 подсоединено к первому входному выводу 7, а конец - к стоку переключающего транзистора 8, затвор которого соединен через первый резистор 9 с выходным выводом первой КМОП ИС ЛИ 10, а исток подключен к общему входному выводу 11, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора-фильтра 12, стабилитрона 13 и времязадающего конденсатора 14, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора 15, конец которой соединен через первый диод 16 со вторым выводом конденсатора-фильтра 12 и через второй резистор 17 с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ 18, выходной вывод которой, соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ 19 и через обратновключенный второй диод 20 с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ 21, объединенным с первым выводом третьего резистора 22 и с первым выводом последовательной RC-цепи 23 второй вывод которой подключен к выходному выводу логической схемы И-НЕ 19, подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ 10, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод 24 соединен с первыми выводами четвертого 25 и пятого 26 резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к первому входному выводу 7 и второму выводу времязадающего конденсатора 14 к которому подсоединен второй вывод третьего резистора 22, регулирующий транзистор обратной связи 27, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ 21, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки 28 с выходными выводами устройства 4, а база - ко второму выводу стабилитрона 13 объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, так же, согласно изобретению, дополнительно содержит шестой 29 и седьмой 30 резистор, а также запускающий транзистор 31, коллектор которого подключен к плюсовому выводу питания всех КМОП ИС ЛИ, эмиттер соединен через шестой резистор 29 с первым входным выводом устройства 7, а база подсоединена ко второму выводу конденсатора-фильтра 12, соединенному через седьмой резистор 30 с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Рассмотрим работу устройства в установившемся режиме. Допустим в начальный момент времени t₀ идет процесс заряда выходного конденсатора-фильтра 5 от вторичной обмотки 2 трансформатора 1. В этом случае переключающий транзистор 8 закрыт и на его стоке имеется высокое напряжение 32, а на вход второй КМОП ИС ЛИ 18 от обмотки обратной связи 15 трансформатора 1, через второй резистор 17, поступает высокое напряжение 33, эквивалентное логической 1. На выходе второй КМОП ИС ЛИ 18 имеется низкое напряжение 34, эквивалентное логическому 0, которое поступает на вход логической схемы И-НЕ 19, и через второй диод 20 формирует на входе третьей КМОП ИС ЛИ 21 низкое напряжение (35 фиг. 2), эквивалентное логическому 0. При этом на выходе логической схемы И-НЕ 19 будет напряжение 38, эквивалентное логической 1, а на затвор переключающего транзистора 8 от первой КМОП ИС ЛИ 10 подается низкое напряжение 39, которое через третий диод 24 и пятый резистор 26 обнуляет напряжение 36 на времязадающем конденсаторе 14. При этом, напряжение на конденсаторе последовательной RC цепи 23 близко к напряжению питания всех КМОП ИС ЛИ.

В момент времени ti энергия, накопленная в трансформаторе 1 в предыдущем цикле, полностью переходит в конденсаторы фильтры 5 и напряжение на обмотках трансформатора 1 изменяет свою полярность. На вход второй КМОП ИС ЛИ 18 от обмотки обратной связи 15 трансформатора 1 поступает, через второй резистор 17, низкое напряжение 33, эквивалентное логическому 0. На выходе второй КМОП ИС ЛИ 18 появляется высокое напряжение 34, эквивалентное логической 1, при этом на входе логической схемы И-НЕ 19 уже имеется напряжение 37 эквивалентное логической 1 и, следовательно, на выходе логической схемы И-НЕ 19 появляется напряжение эквивалентное логическому 0, которое через первый КМОП ИС ЛИ 10 отпирает переключающий транзистор 8 и в трансформаторе 1 начинается процесс накопления энергии от источника входного напряжения. Одновременно с этим запирается первый диод 20 и на времязадающем конденсаторе 14 начинается формироваться пилообразное напряжение 36, через цепь из четвертого 25 и пятого 26 резисторов. Кроме этого напряжение отрицательного фронта 38 с выхода логической схемы И-НЕ 19 через последовательную RC цепь 23, постоянная времени которой гораздо меньше чем постоянная времени времязадающего конденсатора 14, и цепи из четвертого 25 и пятого 26 резисторов, подается на вход третьей КМОП ИС ЛИ 21, где суммируется с пилообразным напряжением на времязадающем конденсаторе 14 и напряжением обратной связи, формирующимся на третьем резисторе 22, величина которого определяется величиной тока в коллекторной цепи регулирующего транзистора 27, которое, в свою очередь, пропорционально величине отклонения выходного напряжения устройства от заданного значения.

По мере заряда времязадающего конденсатора 14, в момент времени ti, напряжение 36 на входе третьей КМОП ИС ЛИ 21 достигает порога срабатывания и напряжение на выходе указанной КМОП ИС ЛИ 21 из положения логической 1 переходит в положение логического 0, а на выходе логической схемы И-НЕ 19 - из положения логического 0 в положение логической 1. Указанный положительный фронт напряжения 38, через последовательную RC цепь 23 поступает на вход третьей КМОП ИС ЛИ 21 и форсирует переход указанного напряжения 36 из положения логического 0 в положение логической 1, предотвращая возбуждение логических КМОП ИС при медленном переходе входного напряжения через порог срабатывания.

Напряжение логической 1 с выхода логической схемы И-НЕ 19 формирует на выходе первой КМОП ИС ЛИ 10 низкое напряжение 34 логического 0, которое запирает переключающий транзистор 8 и через второй диод 24 и пятый резистор 26 разряжает 35 времязадающий конденсатор 14. По мере запирания переключающего транзистора 8 напряжение на его стоке возрастает, а напряжение 33 на выходных обмотках и на обмотке обратной связи 15 в момент времени t₃ меняет полярность и, при возрастании выше порога срабатывания второй КМОП ИС ЛИ 17, в момент времени t₃, на вход логической схемы И-НЕ 19 поступает логический 0, фиксирующий запирающее напряжение 34 на выходе первой КМОП ИС ЛИ 10. Кроме этого напряжение 36 на входе третьей КМОП ИС ЛИ 21, благодаря наличию второго диода 20, снижается ниже порога срабатывания третьей КМОП ИС ЛИ 21 и напряжение на входе логической схемы И-НЕ 19 переходит из положения логической 1 в положение логического 0, а напряжение на конденсаторе последовательной RC цепи 23 становится близко к напряжению питания всех КМОП ИС ЛИ.

Далее начинается медленный процесс передачи энергии, накопленный в трансформаторе 1, от вторичной обмотки 2 через диодный выпрямитель 3 в конденсатор-фильтр 5 до момента времени t₄, когда начинается новый цикл работы однотактного преобразователя постоянного напряжения.

Для поддержания выходного напряжения на заданном уровне, при изменении входного напряжения или выходного тока, время накопления энергии в трансформаторе 1 меняется. На фиг. 2 показаны диаграммы напряжений соответственно при нормальной работе однотактного преобразователя постоянного напряжения (от t₀ до t₄), в режиме холостого хода и при минимально допустимом входном напряжении и максимальной нагрузке.

Как видно из диаграмм (фиг. 2), в заявленном устройстве, при малых длительностях отпирающих импульсов на затворе переключающего транзистора, время отпирания определяется не времязадающим конденсатором 14, а постоянной времени последовательной RC-цепи 23, при этом амплитуда напряжения на входе третьей КМОП ИС ЛИ 21 не изменяется и, следовательно, система регулирования работает в заданном устойчивом режиме.

Для повышения КПД однотактного преобразователя постоянного напряжения питание схемы управления полевым транзистором 8 осуществляется от стабилизированного напряжения формирующемся на конденсаторе-фильтре 12 через восьмой резистор 30. Это напряжение, в отличие от входного напряжения на входных выводах 7, 11 стабилизируется также, как напряжение на выходном конденсаторе-фильтре 5.

В момент запуска преобразователя питание схемы управления осуществляется от входного напряжения через шестой резистор 29 и запускающий транзистор 31, база которого соединена с его коллектором через седьмой резистор 30. По мере увеличения напряжения на конденсаторе-фильтре 12 напряжение на шестом резисторе 29 уменьшается и тем самым, снижается мощность, потребляемая от входного напряжения и снижается общая мощность, необходимая для питания схемы управления переключающим транзистором 8.

Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения является повышение КПД устройства путем снижение мощности потребления схемы управления преобразователем при сохранении потенциального процесса запуска от входного напряжения.

Таким образом предложен однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором-выходным фильтром, начало первичной обмотки подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП ИС ЛИ, а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора-фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора, конец которой соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора-фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой, соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ, объединенным с первым выводом третьего резистора и с первым выводом последовательной RC-цепи второй вывод которой подключен к выходному выводу логической схемы И-НЕ подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора к которому подсоединен второй вывод третьего резистора, регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства, а база - ко второму выводу стабилитрона объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, отличающийся тем, что, согласно изобретению, введен шестой и седьмой резистор, а также запускающий транзистор, коллектор которого подключен к плюсовому выводу питания всех КМОП ИС ЛИ, эмиттер соединен через шестой резистор с первым входным выводом устройства, а база подсоединена ко второму выводу конденсатора-фильтра, соединенному через седьмой резистор с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Однотактный преобразователь постоянного напряжения содержит трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором выходного фильтра. Начало первичной обмотки трансформатора подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП интегральной схемы логического инвертора (КМОП ИС ЛИ), а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора выходного фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора. Конец обмотки обратной связи трансформатора соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора выходного фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с точкой соединения входного вывода третьей КМОП ИС ЛИ, первого вывода третьего резистора и первого вывода последовательной RC-цепи. Второй вывод последовательной RC-цепи подключен к точке соединения выходного вывода логической схемы И-НЕ и входного вывода первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов. Вторые выводы четвертого и пятого резисторов подключены, соответственно, к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора, к которому подсоединен второй вывод третьего резистора. Преобразователь содержит регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства, а база подключена ко второму выводу стабилитрона, объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ. Кроме того, преобразователь содержит шестой и седьмой резистор, а также запускающий транзистор, коллектор которого подключен к плюсовому выводу питания всех КМОП ИС ЛИ, эмиттер соединен через шестой резистор с первым входным выводом устройства, а база подсоединена ко второму выводу конденсатора-фильтра. Техническим результатом от использования предлагаемого технического решения является повышение КПД устройства путем снижения мощности потребления схемы управления преобразователем при сохранении потенциального процесса запуска от входного напряжения. 2 ил.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через диодный выпрямитель к выходным выводам устройства, шунтированным конденсатором выходного фильтра, начало первичной обмотки трансформатора подсоединено к первому входному выводу, а конец - к стоку переключающего транзистора, затвор которого соединен через первый резистор с выходным выводом первой КМОП интегральной логической схемы (КМОП ИС ЛИ), а исток подключен к общему входному выводу, объединенному с минусовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, с первыми выводами конденсатора выходного фильтра, стабилитрона и времязадающего конденсатора, а также с началом обмотки обратной связи трансформатора, конец которой соединен через первый диод со вторым выводом конденсатора выходного фильтра и через второй резистор с входным выводом второй КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой соединен с первым входным выводом логической схемы И-НЕ и через обратновключенный второй диод с входным выводом третьей КМОП ИС ЛИ, объединенным с первым выводом третьего резистора и с первым выводом последовательной RC-цепи, второй вывод которой подключен к выходному выводу логической схемы И-НЕ, подключенной к входному выводу первой КМОП ИС ЛИ, выходной вывод которой через обратно включенный третий диод соединен с первыми выводами четвертого и пятого резисторов, вторые выводы которых подключены, соответственно, к первому входному выводу и второму выводу времязадающего конденсатора, к которому подсоединен второй вывод третьего резистора, регулирующий транзистор обратной связи, коллектор которого подключен ко входу третьей КМОП ИС ЛИ, управляющий переход соединен через узел гальванической развязки с выходными выводами устройства, а база подключена ко второму выводу стабилитрона, объединенного с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ, отличающийся тем, что введен шестой и седьмой резисторы и запускающий транзистор, коллектор которого подключен к плюсовому выводу питания всех КМОП ИС ЛИ, эмиттер соединен через шестой резистор с первым входным выводом устройства, а база подсоединена ко второму выводу конденсатора выходного фильтра, соединенному через седьмой резистор с плюсовым выводом питания всех КМОП ИС ЛИ.