Импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК G05F1/56 H03K17/60 

(5) ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника электропитания электро- и радиоустройств. Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий транзистор, LCD-фильтр, предварительные усилители, два транс форматора с первичными и вторичными обмотками, широтно-импульсный модулятор, сравнивающий блок, развязывающие диоды и резисторы, два изолированных источника смещающего напряж ния и выключающий транзистор С Недостатком указанного стабилизатора является сложность, обусловленная наличием нескольких источников смещения, для создания которых необходимо несколько трансформаторов. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является импуль ный стабилизатор постоянного напряжения, .содержащий 1СО-фильп р и силоВОЙ ключ, выполненный на двух параллельно включенных транзисторах, объ единенные э ттepы которых соединены со средним выводом, а базы - с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, первичной обмоткой соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляющим входом подключенного к выходу блока управления, входом соединенного с выходными выводами импульсного стабилизатора постоянного напряжения, которые соединены с выхода LCD-фильтра через разделяюще-преобразкющий блок t 2. Недостатком известного импульсного стабилизатора является низкий КПД вследствие больших потерь в транзист торах силового ключа при выключении. Цель изобретения - повышение КПД имрульсного стабилизатора постоянного напряжения путем форсирования процесса выключения транзисторов. Поставленная цель достигается тем что в импульсном стабилизаторе посто янного напряжения, содержащем LCDфильтр и силовой ключ, выполненный на двухПараллельно включенных транзисторах, объединенные эмиттеры которых соединены со средним выводом, а базы т с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, первично обмоткой соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляющим входом подключенного к оснозному выходу блока управления, . входом соединенного с выходными выводами импульсного стабилизатора постоянного напряжения, указанный трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, подключенной через введенный выпрямитель к введенному замыкающему ключу, управляющим входом соединенному с введенный инверсным выходом блока управления. При этом генератор импульсов выполнен по двухтактной схеме со средней точкой на управляющих ключах и датчиках тока, управляющим входом соединен с прямым двухтактным выходом блока управления, содержащим два логических элемента И, образующих прямой двухтактный выход, элемент. НЕ, выходом соединенный с инверсным выходом блока управления, счетный D-триггер, три элемента И-НЕ и компаратор, один вход которого соединен с входом блока управления, а другойс источником опорного напряжения, пр этом выход первого датчика тока чере первый -ВХОД первого элемента И-НЕ, его выход, вход R-счетного D-триггера, его инверсный выход, первый вход первого элемента И и его выход соеди нен с управляющим входом второго управляющего ключаJ а выход второго датчика тока через первый вход второ го элемента И-НЕ, его выход, вход S указанного счетного 0 триггера, его прямой выход, первый вход второго эл мента И и его выход соединен с управ ляющим входом первого управляющего ключа, при этом вторые входы указанных элементов И-НЕ соединены с выходом третьего элемента И-НЕ, два входа которого соединены попарно с указанными выходами датчиков тока, а вторые входы указанных элементов И соединены с выходом компаратора и входом элемента НЕ, выход которого соединен со счетным входом D-триггера, и, через инверсный выход блока управления - с управляющим входом указанного замыкающего ключа. На чертеже представлена принципиальная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения. Импульсный стабилизатор содержит силовой ключ 1, выполненный на параллельно соединенных транзисторах 2 и 3 и включенный между входным выводом устройства +Lfg5( входом LCDфильтра k, выход которого подключен к входу блока 5 управления и к выходному выводу стабилизатора UBUV- Выход блока 5 управления соединен с управляющим входом двухтактного генератора 6 прямоугольных импульсов, который подключен к разделительному трансформатору 7, с первичной обмоткой 8, вторичной обмоткой 9 и дополнительной обмоткой 10, подключенной к входу выпрямителя 11. При этом крайние выводы вторичной обмотки 9 соединены с базами транзисторов 2 и 3 силового ключа 1, а крайние ьыводы первичной обмотки 8 через соответствующие ключи 12 и 13 и датчики И и 15 тока соединены с общей шиной устройства. Средняя точка первичной обмотки 8 соединена с положительным выводом источника питания, в качестве которого может быть использован дополнительный источник питания или выходное напряжение импульсного преобразователя выход выпрямителя 11 зашунтирован замыкающим ключом 16. ., Блок 6 управления содержит счетный D-триггер 17, первичный 18 и второй 19 элементы И, элемент НЕ 20, первый 21, второй 22 и третий 23 элементы И-НЕ и компаратор 2, первый вход которого соединен с входом блока 5 управления, а второй - с выходом источника опорного напряжеВыход первого датчика 1 тока через цепь, состоящую из пэрвого элемента И-НЕ 21, его выхода, входа R-счетного D-триггера 17, его инверсного выхода Ц, первого элемента И 18 соединен с управляющим входом второго управляющего ключа 13. Выход датчика 15 тока в свою очередь сойдинен с управляющим входом ключа 12 через цепь, состоящую из первого входа второго элемента И-НЕ 22, его выхода, входа R-счетного D-триггера 17, его прямого выхода Q, первого входа второго элемента И 19 и его выхода. Вторые входы элементов и-НЕ 21 и 22 соединены с выхсгдом третьего элемента И-НЕ 23, каждый вход которого соединен с одним выходом одного из датчиков и 15 тока. Вторые входы элементов И 18 и 19 соединены с выходом компаратора 2 и с входом элемента НЕ 20. Выход элемента НЕ 20 соединен со счетным входом С D-триггера 17 и с управляющим входом замыкающего ключа 16, Средняя точка вторичной обмотки 9 разделительного трансформатора 7 соединена с объединенными эмиттерами транзисторов 2 и 3 через параллельно соединенные стабилитрон 25 и конденсатор 2б. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения работает следующи образом. Если выходное напряжение стабили затора U-V ча величину, определяег емую чувствительностью компаратора 2, превышает величину опорного напряжения IJ0j, то его выходной уровен соответствует логическому нулю, который через элементы И 18, 19 выклю чает ключи 12 и 13, при этом напряжения на всех Ьбмотках трансформатора 7 равны нулю. Через инвертор 2 данный логический нуль выхода комларатора 24 держит открытым замыкающий ключ 16, вследствие чего обмот ка 10 трансформатора 7 закорочена через выпрямители 1Ь Так как напряжение на обмотке 9 отсутствует, то транзисторы 2 и 3 силового ключа 1 также закрыты. Закрытое состояние ключей 12 и 13 обеспечивает нулевые логические уровни на датчиках Н и 15 тока, которые через элементы И-НЕ 21 и 22 держат единичный логический уровень на входах R и S са ного D-триггера 17. Такое состояние схемы будет сохраняться до тех пор, пока выходное напряжение стабилизатора и..„под действием тока нагрузки не понизится до уровня, при котором на выходе компаратора появится уровень логической единицы. При этом, если к примеру состояние триггера 17 определялось единичным уровнем на прямом выходе Q, то через элемент И 19 включается ключ 4-2 и по обмотке 8 и датчику Н тока потечет ток. На началах всех обмото трансформатора 7 установится положительная ЭДС по отрошению к их концам и, следовательно ЭДС обмотки Э создает ток, который потечет по контуру: начало обмотки 9, переход база-эмиттер транзистора 3, параллельная цепь конденсатора 26 и стабилитрона 25 и средняя точка обмотки 9. Под действием тока базы транзистора 3 конденсатор 26 зарядится до уровня, ограниченного величиной напряжения стабилизации стабилитрона 25. Так как с появлением единичного уровня с выхода компаратора 2 ключ 16 через инвертор 20 оказался в закрытом состоянии, то напряжения на обмотке 10 на работу генератора 6 влияния не окажут. Под действием тока, протекаемого по обмотке 8 через отк(Л1тый ключ 12, сердечник трансформатора 7 намагничивается До тех пор, пока сердечник трансформатора 7 не намагничен, датчик I тока обеспечивает на своем выходе нулевой логи1Йский уровень. В области намагниченности сердечника трансформатора 7 ток по обмотке 8 резко возрастает и датчик 1 тока выдает единичный логический уровень, который совместно с единичным выходным уровнем элемента И-НЕ 23, обеспеченным нулевым входным уровнем, поступающим с датчика 15 тока, реализуя функцию И-НЕ. устанавливает по входу R D-триггера 17 единичный уровень на его инверсном выходе Q. Вследствие чего ключ J2 выключается, а ключ 13 через реализованную функцию И элемента 18 включается. Сердечник трансформатора 7 начинает перемагничиваться в обратном направлении за счет сменившейся по знаку НДС обмотки 9. При этом транзистор 2 импульсного регулятора 1 откроет-.ся аналогично процессу включения. транзистора 3. Транзистор же 3 будет формированно закрываться за счет смениаиейся по знаку ЭДС обмотки 9, которая сложившись с напряжением на конденсаторе 26, обеспечит ток запирания его базового перехода. Как только сердечник трансформатора вновь войдет в зону намагниченности, ток второй обмотки 8 резко возрастает и датчик 15 тока обеспечит на своем выходе единичный уровень, который совместно с единичным выходным уровнем логического элемента И-НЕ 23, установленным входным нулевым уровнем, поступающим с датчика 14 тока, реализует функцию И-НЕ и установит по входу S триггера 17 единичный выходной уровень на его прямом выходе Q. При этом ключ 13 закрывается, а ключ 12 вновь

открывается. Эти два описанных процесса включения и выключения ключей 12 и 13 будут сменять друг друга, обеспечивая устойчивый режим работы двухтактного генератора Транзисторы 2 и з 3 импульсного модулятора 1 также будут поочередно включаться и выключать ся, обеспечивая беспрерывное соеди нение входного вывода и стабилизатора с входом LCD-фильтра, так как время выключения транзисторов всегда больше их времени включения, а генерируемые двухполярные импульсь{ на обмотках 10 и 11 управления равны по длительности и их фронты совпадают„ Напря жение на конденсаторе 26 сохраняется .практически постоянным, так как длительность тока выключения базы транзисторов 2 и 3 иного меньше длительности тока базы их включенного 20 состояния

Ключи 12 и 13 обладают тем же свойством различия времени включения и выключения, так как они, как правило, выполняются на транзисторах. По- 35 этому в момент смены состояния ключей 12 и 13 закрывающийся ключ будет находится некоторое время в открытом состоянии и совместно с открывшимся вторым ключом обеспечит кратко временное появление единичных уровней на выводах сразу обоих датчиков И и 15 тока,. Это объясняется тем, что динамическое сопротивление полуобмоток 8 в это время будет мало вследствие вычитания их НДС Появление единичного уровня на выходе датчика тока включаемого ключа может возвратить триггер 17 в предыдущее состояние вследствие чего включаемый триггер выключится, а выключаемый - включит ся, Табс это приведет к неустойчивой генерации двухтактного генератора. В схеме предлагаемого устройства это отрицательное явление устранено благодаря тому, что выходы датчиков 1 и 15 тока поданы, как описывалось вы ше, на входы элемента И-НЕ 23 а его выход - на вторые входы элементов ИНЕ 21 и 22, Поэтому кратковременное существование единичных уровней сразу на обоих датчиках Ни 15 тока обеспечивает нулевой уровень на входах элемента И-НЕ 21, который блокирует реализацию функции элементов И-НЕ 16 и 19 и тем самым исключает переключение счетного D-триггера 17 ;ложным единичным уровнем, поступающим с датчика тока включаемого ключа

12 и 13. Как только сигнал на выходе компаратора 2k сменится с единичного уровня на нулевой, оба ключа 12 и 13 через элементы 18 и 10 выключаются. Изменит на противоположное состояние и триггер 17 под действием сигнала с выхода элемента 20, приложенного к счетному входу С. Одновременно с этим ключ 16 включится и действующая ЭДС на обмотках трансформатора 7 в момент выключения ключей 12 и 13 закоротится через обжэтку 10, выпрямит.ель 11 и открытый ключ 16. Исчезновение напряжений на обмотке 9 и установившийся короткозамкнутый режим трансформатора 7 обеспечивает подачу на базы транзисторов 2 и 3 отрицательного потенциала конденсатора 26, что позволяет быстро закрыться открытому в данный момент транзистору.

При непосредственном соединении средней точки обмотки 9 с объединенными эмиттерамитранзисторов 2 и 3 а момент зaкopaчивa iия обмотки 10 в базо-эмиттерном контуре ранее открытого транзистора потечет импульс обратного тока, обусловленный зарядом носителей в базе ранее открытого транзистора, уменьшая время рассеивания носителей. Цепочка из стабилитрона 25 и конденсатора 2б увеличивает статические потери в контуре управления, но уменьшает потери в транзисторах 2 и 3 на этапе времени спада Поэтому необходимость этой цепочки и ее параметры должны определяться исходя из конкретных условий применения импульсного стабилизатора, величины входного напряжения, частоты коммутации и т.п. Таким образом, совокупность общих существенных признаков изобретения позеоляет уменьшить потери в транзисторах силового ключа при их выключении, что позволяет повысить КПД импульсного стабилизатора постоянного напряжения. Кроме того, предлагаемая схема генератора прямоугольных импульсов и блока управления позволяет повысить надежность системы управления импульсного стабилизатора, а также использовать достижением технологии полупроводниковых микросхем для м ниатюризаг ции импульсного стабилизатора постоянного напряжения. Технико-эквномический эффект применения изобретения, обусловлен повьииением КПД импульсного стаЬили.эаторэ постоянного напряжения и возможность его миниатюризации и будет возрастат с ростом входного напряжения и часто ты коммутации силового ключа.. Формула изобретения V, Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий LCDфильтр и силовой ключ, выполненный .на двух параллельно включенных -транзисторах, объединенные эмиттеры которых соединены со средним выводом, а базы - с крайними выводами вторичной обмотки трансформатора, первичной обмоткой соединенного с выходом генератора прямоугольных импульсов, управляющим входом подключенноЧЕЯ к прямому выходу блока управления входом соединенного с выходными выводами, о т Л; и ч а ю щ и и .с я тем, что, с целью увеличения КПД импульсного стабилизатора постоянного напряжения путем уменьшения потерь при выключении его силового ключа, указанный трансформатор снабжен до;полнительной обмоткой, подключенной через введенный выпрямитель, к введенному замыкающему ключу, управляющим входом соединенному с введенным инверсным выходом блока управления 2. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения по п. 1, о т л ичающий с я тем, что указанный генератор прямоугольных импульсов вы полнен по двухтактной схеме со средней точкой на двух управляющих ключах и датчиках тока, управляющим входом соединен с указанным прямым двух 4910 тактным выходом блока управления, содержащим два логических элемента И, образующих прямой двухтактный выход, элемент НЕ, выходом соединенный с инверсным выходом блока управления, счетный D-триггер, три элемента ИНЕ и компаратор,один вход которого соединен с входом блока управления, а другой - с источником опорного напряжения, при этом выход первого датчика тока через первый вход первого элемента И-НЕ, его выход, вхо; R счетного D-триггера, его инверсный выход, первый вход первого элемента И и его выход соединен с управляющим входом второго управляющего ключа, а выход второго датчика тока через первый вход второго элемента ИНЕ, его выход, вход S D-триггера, его прямой выход, первый вход второго элемента И и его выход соединен с управляющим входом первого управляющего ключа, при этом вторые входы указанных элементов И-НЕ соединены с входом третьего элемента И-НЕ, два входа которого соединены попарно с указанными выходами.датчиков тока, а вторые входы указанных элементов И соединены с выходом компаратора и входом элемента НЕ, выход которого соединен со счетным входом 0триггера и, через инверсный выход блока управления - с управляющим входом замыкающего ключа, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 589680, клр G 05 F.1/56, 1975. 2,Авторское свидетельство СССР № 679965, кл, G 05 F 1/56, 1977