Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M3/335 

Изобретете относится к преобразоватепям, выггопненным на попупроводниковы приборах с утгравпяго1ци,1 электродом, и может быть испопьзсвано во вторичных источниках питания радиоэлектронной а№;паратуры. Известен стабипизированный преобразователь постоянного напряжения, coaeyvжащий стабилизатор напряжения, к выходу которого подключены последовательно соединенные 1юрегупируемый инвертор с выходным трансформатором, выпрямитель И сгпаживакший фильтр, а к управпякяде- му входу нерегулируемого инвертора подсоединен блок управления. За счет нерегугафуемого инвертора практически исключено накопление конденсатором сглаживающего фильтра напря кения, превышающего по величине номинальное, что позволяет использовать данное устройств при нагрузке импульсного типа (со сбросом тока нагрузки до нуля) и в режиме холостого хода без нарушения стабилизации выходного напряжения Ij. разделение функций стабилизации напряжения за счет стабилизатора и преобразования этого напряжения до требуемого уровня с помощью нерегулируемого инвертора существенно снижает КПД всего устройства в целом. Известен также стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий нерегулируемый инвертор с вы кодным трансформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сглаживающий фипьтр подключена ко входу пи ейного стабилизатора. Блок, управления соединен с управляющим входом нерегулируемого инвертора. Использование нерегули руемого инвертора и линейного стабилизатора позволяет применять данное устройство как при нагрузке импульсного типа, так и в режиме холостого хода Недостаток устройства - низкий КПД связан с необходимостью обеспечения на первом этапе требуемого уровня напряжения за счет преобразователя, а на втором - стабилизашга этого напряжения. При этом полный ток нагрузки протекает по регулирующему элементу (транзистору линейного стабилизатора, находящемуся в активном режиме, что приводит jc знач тепьным потерям мощности и обусловливает низкий КГЩ стабилизированного преобразователя. Наиболее близким.к изобретению является преобразователь, содержащий регулируемый инвертор с исходным траасформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитель и сглаживающий фильтр подключена к выходным зажимам, блок управления, у которого управляющие выходы соединены с управляющими входами регулируемого инвертора, положительный вывод питания - с одноименным входным зажимом, а выводы обратной связи - с выходными зажимами ЗЗ. Недостатком этого устройства является отсутствие обеспечения стабипизатга напряжения в режиме холостого хода и при нагрузке импульсного типа с относи тельно больщой скважностью импульсов, длительность паузы между которыми со измерима со временем заряда (разряйа) сглаживающего фильтра. При этом, в пау-зах возникает режим, близкий к хопостому ходу. Это объясняется тем, что. при относительно малых .или нулевых токах нагрузки сглаживающий фильтр за время импульса, поступающего с выпрямителя, накапливает энергию, превышающую по величине энергию, потребляемую нагрузкой за время паузы. В рез5гпьтате выходное напряжение становится равным амплитуде выпрямленных импульсов, а преобразователь перестает быть стабиттизиро ванным. Необходимое снижение выходного напряжения ёа счет уменьшения угпа модуляции до ветчины, близкой к нулевой, при высокой частоте преобразования (свыше 10 кГц) практически недостижимо ограниченных возможностей по дий- пазону регулирования угла модуляции блока управления, а также из-за наличия углов коммутации транзисторов регулирую емого инвертора. Эти факторы связаны с инерционностью транзисторного ключа при выходе из насыщения, причем длитепь, ность процесса существенно возрастает с уменьшением тока нагрузки, т.е. коллекторнохч) тока, и обусловливают наличие предела в получении минимальных углов модуляции. Поэтому нарушается стабилизация выходного напряжения преобразователя при импульсном характере нагрузки или в режиме холостого хода. Указанный недостаток обычно устраняется за счет подключения к выходным зажимам балластного- сопротивпения, что ведет к снижению КПД преобраэоватепя, неоправданному, завышению его мошноств и возрастанию массы и габаритов тепло- отв&дящей конструкции. Цепь изобретения - повышение КГЩ преобразоватепя при работе на вмпупьо ную вагрузку. Поставленная цепь достигается тем, что в стабилизированный лреобраэоватегхь постоянного напряжения, содержащий регулируемый инвертор с выходным траноформатором, вторичная охотка которого через выпрямитель и сглаживающий фильт . подключена к ЕНХОДНЫМ зажимам, блок упрввпекия, у которого управляющие выходы соединены с управляющими входами регулируемого инвертора, положительный вывод питания - с одноименным входным зажимом, а выводы обратной связи - с выходными зажимами, введен блок реле{ ного режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, а выходные вывощл - с отрицательным выводом питания блока управления и другим входш 1м зажимом. При этом блок релейного режима выпогшен .на апементе гальванической развязки ключевом элементе и пороговом элементе, выходные ылводы которого .соединены с входными шлводами элемента гальванической развязки, выходные выводы которого соединены с управляющими выводами ключевого элемента. Элемент гальванической развязки может быть выполнен в виде (Я1тоэлектронно1Ч -ключа, а пороговый элемент - в виде стабилитрона. Ключевой элемент выполнен в виде тратаистора, эмиттер которого подключен к отрицательному входному зажиму и од.ному из выходных выводов элемента ruJO ванической развязки, база - к другому вык.оаавму выводу элемента гальваничео кой развязки, а коллектор - к отрицательному выводу питания блока управлений. На фиг. 1 и 2 представлены приниишн альные схемы предлагаемого стабилизиро ванного, преобразователя постоянного -напряжешш и блока управтюния; ва фиг. 3 временные диаграммы токов и напряжеШ1Й 1фед71агаемого устройства. На временных диаграмма; (фиг.3) обозначены: О } напряжения на выходах выпрямителя Uj и фильтра и при номинальной нагрузке; б ) шпряжения на выходах выпрямителя U{2 и фильтра и в режиме холостого хода; -б ) импульсный ток нагрузки 1а| 2. ) напряжение на выходе фильтра U в режиме холостого хода при наличии бпока релейного режима; д) ток ключевого элемента Igj 1 534 б ) напряжение на управляющих выходах блока управления 1)4Преобразователь построен но схеме с ШИМ напряжения в цепи переменного тока. Устройство (фиг.1) содержит регули руемый инвертор 1 на транзисторах 2 и 3 с выходным трансформатором 4, вторичная обмотка которого подключена через выпрямитель 5, выпоптанный по лучевой или мостовой схемам, и сглаживающий фильтр 6, состоящий из дросселя и конденсатора, к выходным зажимам 7 и 8, блок 9 управление, управляющие выходы 10,11 и 12 которого соединены с управляющими входами регулируемого инвертора 1, выводы 13 и 14 обратной связи - с выходными зажимами 7 и 8, а положительный вывод 15 питания - с одноименным входным зажимом 16. Позицией 17 обозначен отрицательный входной зажим. Блок 18 релейного режима состоит из порогового элемента 19, выполненного на стабилитроне 2О с токоограничивающим резистором 21 и подключенного выходными выводами к входным выводам элемента 22 гальванической развязки, выполненного в виде оптоэлектронного ключа и подключенного выводными выводами к управляющим выводам ключевого элемента 23, выполненного на транзисторе 24 с резистором 25, при этом входные выводы блока 18 релейного режима подсоединены к выходHbiM зажимам 7 и 8, а выходные - к ot рипательному выводу 26 питания блока 9 управления и другому входному зажиму 17. К выходным зажимам 7 и. 8 преобразователя подключеш нагрузка. В состав блока 9 управления, выполненного напрщ ер, в соответствии с фиг. 2 или по другим известным схемным решениям, входят задающий генератор 27 с транс4юрматором 28, собранный по схеме Ройерй на транзисторах, ведомый генератор 29 с трансформатором 3Q, обмотки обратной связи которого соединены постюдовательнр и согласно с синхронизирую:щими обмотками трансформатора 28 задающего генератора и первичными обмогками трансформатора 31 обратной связи. Выходные обмотки трансформатора 28 и ЗО соединены попарно последовательно и согласно и подключены через токоограничивающие базовые цепи 32 и 33 и одвовременно средними точками через запирающие диоды 34 и 35 к управляющим входам регулируемого инвертора 1. Ко вторичной обмотке трансформатора 31 об ратной связи подключен регулирующий элемент 36, состоящий из встречно вклю ченных транзисторов, управляющие переходы которых включены в диагональ измерительного моста 37, . имеющего в одном плече опорный элемеет - стабилитрон, а в других - резисторы и подключенного к выходным зажимам 7 и 8 чере выводы I и 14. Устройство работает следующим образом. Постоянное входное шпряжетю, по даваемое на входные зажимы 16 и 17, преобразуется регулируемым инвертором 1 (фиг.1) за счет поочередного включения и выключения транзисторов 2 и 3 в двулолярные прямоугольные импульсы с ШИМ, передаваемые через выходной трансформатор 4 на выпрямитель 5, сглаживающий фильтр 6 и нагрузку. Уровень выходного постоянного напряжения определяется хтфиной импульсов, сттмаемых с -выхода инвертора 1, которая зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и задается блоком 9 управления. Так, при возрастании входного шпряжения и уменьшении тока на грузки ширина импульсов уменьшается и компенсирует возможное увеличение выходного стабилизированното напряжения, отклонение которогхэ от номинальной величгины определяется измерительным мостом 37, содержащем в одном из пле источник опорного 11апряжен:ия - стабилитрон {фиг.2). В зависимости от величины этого отклонения изменяется сопро тивление регулирующего элемента 36, вносимое в базовые це.пи транзисторов ведомого генератора 29 через трансфор матор 31 обратной связи, обеспечивающий сохранение гальванического разделе ния сетей питания и нагрузки. Регулирование ширины импульсов ш выходе инвертора 1 осуществляет бло 9 угфавления следующим образом. Прямоугольные импульсы, снимаемые с выхоань1к обмоток трансформатора 28 задающего генератора и трансформатора 30 ведомого генератора, сдвинуты по фазе относительно друг друга. При одинаковой полярности эти импульсы сумми руются, подаются через токоогранкчява ющие цепи 32 и 33 на базу соответств ющего транзистора 2 (3) инвертора 1, и этот транзистор входит в насьпцение. При переключении генератора 27 происходит выключение транзистора 2 (3) через запирающий диод 34 (35), и на выходе инвертора 1 формируется пауза между иьшульсами. Последующее переключе гае ведомого генератора 29 приводит к включению второго транзистора 3 (2) и тертора 1. В дальнейшем процессы повторяются. Регулирование фазы между прямоугольными напряжениями на выходах генераторов осуществляется за счет управления величиной задержки, необходимой .для выходатранзисторов ведомого генератора 29 из насыщения Величина этой задержки, равная времени выхода транзистора из насыщения, определяет паузу между импульсами на выходе , инвертора 1 и, как следствие, - уровень выходного напряжения и зависит от сопротивления регулируюхцего элемента 36, вносимого через трансформатор 31 обратной связи. Так, при увеличении выходного напряжения возрастает отпираюшее напряжение с измерительного моста 37, сопротивление отпирающихся травзирторов регулирующего элемента 36 уменьшается, возрастает .базовый ток во время насыщенного состояния транзисторов ведомого генератора 29 и время выхода этих транзисторов из насыщения, что приводит к увеличению задержки, уменьг- . шению ширины импульсов на выходе инвертора 1 и снижению выходного напряжения преобразователя. Т.е. за счет обратной связи блок 9 управления автоматически изменяет угол модуляции и компенсирует отклонешш выходного напряжения от- его номинальной величины, воз шкающне при воздействии дестабилизирующих факторов. Следовательно, ширина .импульсов регулируется так, что после их выпрямления ( (J ,i нафиг. 3 Сг) сглаженное напряжение (J, на выходе сглаживающего фильтра 6 остается стабильным. В режиме холостого хода блок управления уменьшает угол модуляции & до минимально возможной величины (фиг. 3 (5, определяемой максимально достижимым временем выхода транзисторов ведомого генератора 29 из. |На сьпцения,.и временем выхода из насыщения транзисторов 2 и 3 регулируемого инвертора 1 (углом коммутации), которое имеет значительную величину при мапо, токе нагрузки преобразователя и коллекторном токе этих транзисторов. В результате конденсатор сглаживающего фильтра 6 накапшвает энергию и заряжается за а&сколько периодов до напряжения, равшго амплитуде импульсов на выходе выпроматепя 5. Режим стабилизации выходного напряжения нарушается. При наличии блока 1 в репейного режима вводится второй (допопнитепьный) канап обратной связи (фиг. 1), и питание на бпок 9 управпе, ния подается через транзистор 24 ключевого элемента 23, открытого за счет базового тока смещения через резистор 25. В указанном случае при сбросе тока нагрузки J( (фиг.за) начинается заряд конденсатора сгпаживающего фильтра 6, напряжение на котором L увеличивается (фиг. 32) и после достижения величины, на ли больше номинальной, приводит к срабатывадаю порогового элемента 19 (пробою стабилитрона 2О). Через опто- эпектронный ключ элемента 22 гальванической развязки начинает протекать ток. Этот элемент включается и закорачивает управляющий переход транзистора 24

ключевого элемента 23, который выключается. Ток Ig через него становится равшлм нулю (фиг.З Э), питание с блока 9 управления снимается и последний прекрашает геиерашю управлякядих сигналов 04 Xфиг.Зе). Регулируемый инвертор 1

в)1«йочается, а сглаживающий фильтр 6 начинает разряжаться за счет токов утечки конденсатора фильтра, обраткгого тока ДИОДСЯ5 выпрямителя 5 тока, измерительнего моста 37 и т.д. Напряжение та выходе щвобразоватепя снижается, тюроговый Элемент 19 выключается, вместе с эпекювтом 22 гальванической развжэкв.

включается ключевой -эаемент 23, подает ся питание на бпок 9 управления, запускается регулируемый инвертор 1, начинает заряжаться сглаживающий фипьтр 6. В дальнейшем процессы повторяются и происходит стабипизашет выходного напряжения в интервале Д U на уровне, несколько превышающем уровень выходного напряжения, стабилизируемого за счет ШИМ. При наличии тока нагрузки блок 18 релейного режима не оказывает влияния на работу преобразователя, так как кшочевой элемент 23 остается постоянно включенным, а пороговый элемент 19 и элемент 22 гальванической развязки - выключенными.

Таким образом, в режиме холостого хода или во время паузы при импульсной нагрузке стабилизация напряжения на выходны X зажимах осуществляется с помощью блока 18 репейного режима обеспечивающего релейно-импупьсный режим работы блока 9 управления, выдающего серию управляющих импульсов с последующей паузой, во время которой этот бпок отключен от питающей сети. Достигаемый эффект позволяет испопьзовать преобразователь на высоких (от десяти Йо сотен кипюгерд) частотах при работе m импульсную нагрузку и в режиме холостого хода без снижения КПД, неоправданного завышения его мощности и увеличения массы и габаритов теппоотводящей конструкции.

Фаг.3

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЙОСТОЯННОГО НА ПРЯЖЕНИЯ, содержащий регулируемыйнввертор с выходвым траисфо штором, вторичвая,обмотка которого через выпря митепь и сгпаживаюший ф спьтр подкшспева к выходвым зажимам, бпок управпевия, у которого управляющие выходы соединены с управляющими входами р&- гупируемого инвертора, попожнтепьвый вывод питаввя - с одвоимеввым вх6ав11Ы зажимом, а выводы обратной связи - с выходвымя зажимами, отличающийся тем, что, с цепью повышения КПД при работе на импульсную нагрузку, в преобразователь введен бпок ре1ЮЙВОГО режима, входные выводы которого соединены с выходными зажимами, а выходные выводы - с отрицательным выводом блока у11|швления и другим входным зажимом. 2.. Преобразователь по п. 1, отличаю щ в и с я тем, что блок репейного режима выполнен на элементе гальванической развязки, элементе и порогчжом элементе, выходные выводы которотчэ соединены с входными выводами элемевта гальванической развязки, выходные выводы которого соединены с управляющими выводами ключевогю элемента. 3. Преобразователь по п. 2, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что ключевой впемент выполнен в- виде трегвзистора, емиттер которого подключен к отрипатедьюму входному зажиму и одному из выходных выводов элемента гальванической развязки, база - к другому вы ходному вывзду эпемента гальванической jO D1 развязки, а коллектор - к отрицательному выводу питания блока управления. 1 :л 4. Преобразователь щ п. 2, о т п и:о чающийся тем, что элемент гальвагаческой. развязки выполнен в виде oi тоепектровшйх) ключа, а 1юроговый ©лемевт - вJвидe хтгабилитрова.