Способ стабилизации напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G05F1/56 

шения качества стабилизации выходного напряжения преобразователя при расширенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки, формирователь основного контролируемого напряжения состоит из делителя, включенного на входе С-.Ь-С фильтра и трансформатора тока, первая обмотка которого включена в силовую цепь транзистора преобразователя, а вторая - зашунтирована nepBfcjM резистором и подключена между выходами упомянутых делителя и формирователя.

5. Устройство по п, 4, отличающееся тем, что оно снабжено формирователем дополнительного контролируемого напряжения, выполненным в виде подключенного к третьей обмотке упомянутого трансформатора тока однополупериодного выпрямителя со вторым резистором на выходе/ соединенным одним выводом с общей шиной схеки, а другим.- с первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к упомянутому источнику эталонного напряжения, а выход через первый диод соединен с вторым входом первого компаратора, к которому также подключен через второй диод выход формирователя основного контролируемого напряжения.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что второй резистор формирователя дополнительного контролируемого напряжения зашунтирован цепочкой, состоящей из транзистора и третьего резистора, включенного в цепь его эмиттера, причем база транзистора соединена с упомянутым датчиком выходного напряжения преобразователя.

1. Способ стабилизации напряжения транзисторного преобразователя простоянного напряжения с обратным включением диода, дросселем и выходным фильтром, при котором включают транзистор через равные интервалы времени, измеряют выходное напряжение преобразователя, сравнивают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опорного напряжения, формируют по меньшей мере одно контролируемое напряжение, сравнивают его с опорным напряжением и выключают транзистор в моменты их райенства, отличающийс я тем, что, с целью улучшения качества стабилизации выходного на-/ пряжения преобразователя при расширенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки, указанное основное контролируемое напряжение формируют путем суммирования двух сигналов, первый из которых получают путем измерения входного напряжения выходного фильтра, а второй. - путем преобразования тока силовой цепи транзистора в напряжение. 2.Способ по п. 1, отлича ю щ и и с я тем, что из указанного второго сигнала формируют дополнительно контролируемое напряжение, которое сравнивают с опорным напряже нием. 3.Способ по п. 2, о. т л и ч аю щ и и с я тем, что при уменьше(Я нии сигнала, полученного в результате указанного измерения выходного напряжения до величины, меньшей упомянутого эталонного напряжения, фррмируют третий сигнал,которым воздействуют на указанное преобра зование тока в напряжение, увеличивая величину дополнительного контролируемого напряжения. 00 4.Устройство для стабилизации постоянного напряжения, содержа1чее за-г. дающий генератор фиксированной частоты, формирователь импульсов управления силовым транзистором, усилитель СП постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика выходного напряже.ния преобразонаталя, а даугой - к источнику эталонного напряжения, и первый компаратор, первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а второй через первый диод - к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, причем упомянутые усилитель, датчик, компаратор и источник эталонного напряжения соединены с общей шиной схемы, 6 т л и ч а ю щ е е.с я тем, что, с целью улуч

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источника: электропитания аппаратуры связи.

Известен способ стабилизации выходного напряжения транзистора преобразователя постоянного напряжения, при котором сравнивают контролируе1 ый сигнал пилообразной формы, сформированшлй из входного напряжения, с сигналом постоянного тока и переключают силовой ключ в момент равенства этих сигналов, причем величину сигнала постоянного тока усиливают равной амплитудному значению контролируемого сигнала при минимальной величине входного напряжения 11.

Этот способ- не может быть применен без изменений для транзисторного преобразователя постоянного напряжения с обратным вкJaoчeниeм диода.

Наиболее близким к изобретению является способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения с обратным вкшзчением .диода, дросселем и выходным фильтром, при котором включают транзистор через равные интервала времени, измеряют выходное напряжение преобразователя, сравнивают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опЬриого напряжения, формируют по меньшей мере одно контролируемое напряжение, сравнивают его с апорилм напряжением и выключают - анзистор в момент их равенства 2J.

Недостатками известного способа являются низкая точность стабилизации напряжения в режиме прерывистого тока реактора, большие перегрузки коллекторного тока транзистора при ; включении и коротком замыкании преобразователя постоянного напряжения, большая длительность переходных процессов, вызванных изменением сопроO тивления нагрузки.

Известно устройство для осуществления стабилизации выходного напряжения, транзисторного преобразователя постоянного напряжения, .содержащее 5 задающий генератор фиксированной частоты, формирователь импульсов управления силовым транзисторе и компаратор, первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а второй - к выходу формирователя контролируемого напряжения, причем компаратор, источник/опорного напряжения и формирователь контролируемого напряжения соединены с общей шиной схемы 33.

Недостатками этого устройства являются низкие статическая и динами- ческая точности.

Наиболее близким к изобретению является устройство для стабилизации 0 выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения, содержащее задающий генератор .фиксированной частоты, формирователь импульсов упрс1вления силовым транзис5 тором,t усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика выходного напряжения преобразователя, а другой - к источнику

эталонного напряжения, и первый компаратор, первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а второй - к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, упомянутые усилитель, датчик, компаратор и источник эталонного напряжения соединены с общей шиной схемы 4 .

Недостатками-известного устройства являются низкая точность стабилиэации напряжения в режиме прерывистого тока реактора, большие выплески коллекторного тока транзистора при выключении и коротком замыкании преобразователя постоянного напряже- .15 ния, большая длительность переходных процессов, вызванных изменением сопротивления нагрузки.

Цель изобретения - улучшение качества стабилизации выходного напря- 20 жения преобразователя при расширенном диапазоне изменения сопротивления нагрузки.

Эта цель достигается тем, что согласно способу стабилизации напряжения25 транзисторного преобразователя постоянного напряжения с обратным включением диода дросселем и выходным сглаживающим фильтром, при котором включа(С1т транзистор через равные интерва- д лы времени, измеряют выходное напряжение преобразователя, сравнивают его с эталонным напряжением, усиливают полученный сигнал рассогласования, используя его в качестве опорного напряжения, формируют по меньшей мере одно контролируемое напряжение, сравнивают его с опорным напряжением и выключают транзистор в моменты их равенства, указанное основное контролир емое напряжение формируют путем 40 суммирования двух .сигналов, первый из которых получают путем изм,ерения входного напряжения выходного фильтра, а второй - путем преобразования тока силовой цепи транзистора в на- 45 пряжение.

При этом из указанного втйрого сигнала формируют дополнительное контролируемое напряжение, которое сравнивают с опорным -напряжением. JQ

При уменьшении сигнала, полученн.ого в результате указанного измере-ния выходного напряжения, до величины, меньшей упомянутого эталонного, напряжения, формируют третий сигнал, ,5 которым воздействуют на указанное преобразование тока в напряжение, увеличивая величину дополнительного контролируемого напряжения.

Кроме того, в устройство для стабилизации постоянного напряжения, . 6 содержащее задающий генератор фиксированной частоты, .формирователи импульсов управления силовым транзистором, усилитель постоянного тока, один вход которого подключен к выхо- 65

ду датчшка выходного напряжения.преобразователя , а другой - к источнику эталонного напряжения, и первый компаратор , первый вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а второй через первый диод - к выходу формирователя основного контролируемого напряжения {упомянутые 1усилитель, датчик, компаратор и ис-j точник эталонного напряжения)соединены с общей шиной схемы , введен формирователь основного контролируемого напряжения, состоящий из делителя, включенного на входе C-L-C фильтра и трансформатора тока, первая обмотка которого подключена 1в силовую цепьтранзистора преобразователя , а вторая - зашунтирована первым резистором и подключена между выходами упомянуоъах делителя и формирователя.

При этом данное устройство может быть снабжено.формирователем дополнительного контролируемого напряжения, выполненным в виде подключенного к третьей обмотке упомянутого трансформатора тока однополупериодного выпрямителя со вторым резистором на выходе, соединенным одним выводом с общей шиной схемы, а другим - с первым входом второго компаратора, второй вход которого подключен к упомянутому источнику эталонного напряжения, а выход через первый диод соединен с вторым входом первого компаратора, к которому также подключен через второй диод выход формирователя основного контролируемого напряжения.- Кроме того, второй резистор формирователя дополнительного контролиремого напряжения может быть заи1унтирован цепочкой, состоящей из транзистора и третьего резистора, включенного в цепь его эмиттера, причем база транзистора соединена с упомянутым датчиком выходного напряжения преобразователя.

На фиг. 1 и 2 представлены временные диаграр/1мы, поясняющие предлагаемый способJ на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства.

На фиг. 1 и 2 обозначены опорное напряжение 1 (,) напряжение 2 на входе выходного фильтра (), моменты включения транзистора Т, моменты выключения транзистора t, основное контролируемое напряжение 3, напряжение 4, пропорциональное току силовой цепи транзистора (ig X R), дополнительное контролируемое напряжение 5, режим включения преобразователя t , установившийся режим

перегрузки .

Диаграммы на фиг. 1 соответствуют способу стабилизации, при котором дополнительное контролируемое напряжение 5 не зависит от величины выходного напряжения, а на фиг. 2 - при котором дополнительное контролируемое напряжение увеличивается при уменьшении выходного напряжения мень ше эталонного. Поскольку преобразование тока транзистора в напряжение производят как правило/ с помощью активного со противления, то в дальнейших рассуж дениях полагаем, что для формирования основного контролируемого напряжения формируют второй сигнал- с помо щью сопротивления R.,, а дополнительное контролируемое напряжение - с по мощью сопротивления R На фиг. 1 и 2 показано, что выключение транзистора преобразователя в режимах включения и значительной токовой перегрузки происходит .в моменты времени, когда дополнительное контролируемое напряжение, равное падению напряжения на сопротивлении R 2 (i ех 2 достигает величины опор ного напряжения (Upn)- В режимах малых отклонений входного напряжения и тока нагрузки выключение транзистора преобразователя происходит в моменты времени, когда достигает величины опорного напряжения ( ) основное контролируемое напряжение, равное сумме падения напряжения на первом резисторе и на К-й части входного на пряжения преобразователя, выполненного с емкостным фильтром (K-Ugj,,)., При этом, когда R f(иц,), средние значения токов транзистора и диода и действующее значение тока реак тора в режимах включения и перегрузки меньше, чем в установившемся режиме работы, несмотря на низкую скорость спада тока диода, в результате этого исключается перегрев преобразователя напряжения в режиме перегрузки и повышается надежность его работы. При отсутствии контроля падения напряжения на сопротивлении R входной ток преобразователя напряжения мог вы достигнуть чрезмерно больших значений, нарушгиощих нормальную работу преобразователя напряжения. в предлагаемом способе стабилизации напряжения преобразователя выключение транзистора осуществляют в момент времени, когда выполняется одно из условий E..-t + t о 1

(1

и

on

on (2)

где Uon K,(K2 Овых- Ри

. И-иоп пит Р«:К2 ftb.X ST.

f . R

« вых

Ugj,,- Л„

сопротивление нагрузки;

частота коммута ции транзистора. , Ку - коэффициент усиления усилителя постоянного тока; напряжение эталонного источника напряжения; напряжение питания схемы управления; опорное напряжение; напряжение питания преобразователя f напряжение на нагрузке; - время включенного состояния транзистора; -индуктивность обмотки реактора ; - начальное значение тока транзистора при его очередном включении, равное нулю в режиме прерывистого тока; -сопротивления токовых шунтов;-коэффициенты пропорциональ-Kjности входного тока и выходного напряжения. Разделим все слагаемые уравнения на К . 1 -, oil 1 Р + К о -1 К L Допустим, что в (1) сумма первых х слагаемых составляет 3% от трего слагаемого при максимальном чении напряжения питания и номиьном значении тока нагрузки и что /Кг const и не зависит.- от веины выходного напряжения преобраателя. Рассмотрим на сколько протов отклонится величина выходного ряжения преобразователя с обратвключением диода при изменении ряжения питания и тока нагрузки го работе в режимах .прерывистого епрерывного тока реактора. 1.Полный сброс тока нагрузки. При сбросе(Тока нагрузки до нуля вое и второе слагаемые снижаются нуля. Следовательно Ugj, повыша я на +3%. 2.Понижение напряжения питания прерывистом токе реактора (J., ). В этом случае 2-LI, Если допустить, что с уменьшением напряжения Е увеличивается (или уменьшается) Е-t при постоянстве f, Rj, L, то должно одновременно уве личиваться- (или уменьшаться) напряжение и../.что невозможно, так как К. в e-t , C,nst . следовательно, в этом режиме выходное напряжение преобразователя инвариантн к изменению напряжения питания. 3. Понижение напряжения питания при непрерывном токе реактора (ip) 0), 3 этом случае U ц, (Е -ь U,, )ц 4 - Уравнение () с учетом (3) принимает следуквдий вид К t Е 3 i o -Kji: i 54;F K7 on( Допустим, что при снижении Е t также снижается, а следовательно, снижаются второе и третье слагаемые Первое слагаемое возрастает, но не может стать больше суммы 1-го и 2-го слагаемых при Е Е, первого (и) и второго (up слагаемых меняется не более, чем на 1.% при их первоначальной величине, равной 3%. При этом третье слагаемое (иgb,x) О клоняется не более, чем на 1%. . Если допустить, что при снижении Е txj возрастает и E-t. возрастает, то должны возрастать и и U , но это невозможно, так как и + и + . const. Если при снижении Е t возрастае но Et снижается, то Ug,,, может снизиться или возрасти, а возрас тет. Допустим, что Е Ец„.,. и.г1% и и, 2%. V Тогда при Е Е...... и, может сниwit m L. л fзиться приблизительно до 0,5%, и., возрастет приблизительно на 0,5% а Up, - на1%. Следовательно, в режиме непрерывного тока реактора выходное напряжение преобразователя инвариантно к изменению напряжения питания с заданной степенью точност Когда и QP (Ugji,), то точност стабилизации выходного напряжения значительно возрастает по сравнению со случаем и п const. Предлагаемый способ стабилизаци напряжения является -по существу ком бинированным способом стабилизации по двум каналам. Стабилизация суммы напряжений, одно из которых пропорционально входному току, а другое выходному напряжению, является 1-м каналом стабилизации, а корректиров ка опорного напряжения - 2-м канало стабилизации. Изменение напряжения питания вызывает изменение скорости нарастания входного тока и времени открытого состояния транзистора в течение одного периода. Изменение сопротивления нагрузки также в течение одного периода приводит к изменению выходного напряжения преобразователя и времени открытого состояния транзистора. Именно двухканальная система с учетом приведенных выше доказательств обеспечивает повышение точности и быстродействия системы регулирования. Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит задающий генератор б фиксированной частоты, формирователь 7 импульсов управления транзистором 8, усилитель 9 постоянного тока, один вход которого подключен к выходу датчика 10 выходного напряжения преобразователя, а.другойк источнику 11 эталонного напряжения, . и первый компаратор 12, первый вход которого подключен к выходу усилителя 9 постоянного тока, а второй через второй разделительный диод 13 к выходу формирователя основного контролируемого напряжения, который состоит из делителя 14 входного напряжения выходного С-L-C фильтра 15 и трансформатора 16 тока. Первая обмотка трансформатора 16 тока включена в силовую цепь транзистора 8, а вторая - -зашунтирована первым рёзис- . тором 17. Второй вход первого компаратора 12 соединен через первый разделительный диод 18 с выходом формирователя дополнительного контролируег ого напряжения, который состоит из второго резистора 19,подключенного через выпрямитель 20 к третьей обмотке токового трансформатора 16, и второго компаратора 21. Второй резистор 19 зашунтирован цепочкой 22 ;, эмиттерный повторитель) состоящей из третьего резистора 23 и управлякяцего транзистора 24, база которого соединена с выходом датчика 10 выходного напряжения. Силовой контур преобразователя состоит из транзистора 8, дросселя 25, силового диода 26 и выходного C-L-C фильтра 15. Все сигналы управления подаются относительно общей шины 27, к которой подключен один из илводов нагрузки 28. Транзистор 8 включается импульсами задающего генератора 6 через формирователь 7, ток через первую обмотку трансформатора 16 возрастает, что вызывает увеличение напряжения на резисторе 17 (фиг..1). В момент равенства напряжений на первом и втором входах компаратора 12 последний перебрасывается и через формирователь 7 выключает транзистор 8. Одновременно с ростом напряжения на резисторе 17 растет напряжение на резисторе 19, сравнивается на входе второго компаратора 21 с эталонным напряжением стабилитрона 11. Превьшение дополнительного контро лируемого напряжения над опорным, что происходит при пусковом и перегрузочном режимах преобразователя, приводит к перебросу второго компаратора 21, затем первого компаратора 12 и, как следствие, к выключению транзистора 8. Таким образом обеспечивается мгновенная защита транзистора 8 от перегрузок. Дпя уменьшения :величины коллекторного тока транзистора 8 при пуске пр еобразователя и связанных с ней выплесков выходного напряжения преобразователя параллельно резистору 19 вклю чен эмиттерный повторитель 22, вход которого соединен с датчиком 10 выходного напряжения. При пуске напряжение на нагрузке 28 и, соответс венно, на выходе датчика 10 равно нулю, транзистор 24 закрыт, и напря жение на резисторе 19 (фиг. 2) дост гает величины и при меньшем значе нии тока через транзистрр 8, чем в установившемся резкиме. После выхода преобразователя на установившийся режим управляющий транзистор 24 отпирается и на резис торе 19 напряжение достигает величи и при заданном значении тока чере транзистор 8. Таким образом, удается обеспечить требуемый режим элементо силового контура преобразователя при пусках, установившемся режиме и перегрузках. . Технико-экономические преимущест предлагаемого способа стабилизации выходного напряжения преобразовател и устройства для его осуществления состоят в улучшении качества стабилизации выходного напряжения при ра ширэнном диапазоне изменения сопро-г тивления нагрузки (работе реактора как в режиме непрерывного, так и прерывистого тока), в повышении надежности преобразователя. Улучшение качества стабилизации выходного напряжения заключается в повышении точности стабилизации, быстродействия системы регулирования, устойчивости системы регулирования. Изменение напряжения питания вызывает изменение скорости нарастания входного тока и времени открытого состояния транзистора в течение одного периода. Изменение сопротивления нагрузки также в течение одного периода приводит к изменению выходного напряжения преобразователя и времени открытого состояния транзистора. Этим обеспечивается высокое быстродействие системы регулирования. Высокая ус- тойчивость достигается за счет исключения из контура регулирования индуктивности и емкости С-L-C фильтра путем суммирования с напряжением, пропорциональным входному току напряжения на входе, а не на выходе фильтра. Высокая точность стабилизации напряжения создается за счет двух контуров регулирования. Высокая надежность преобразователя обеспечивается за счет ограничения его входного тока в режимах перегрузки и включения. При отсутствии жестких требований к пульсациям выходного напряжения C-L-C сглаживающий фильтр может быть заменен С фильтром. В этом случае делитель входного.напряжения C-L-C фильтра и датчик высокого напряжения включаются параллельно. При необходимости гальванической развязки входного и выходного напряжений дроссель (трансформатор) может быть выполнен двухобмоточным.

7

.

tyetn.

inepezp.

(6xXt;

VI

rl

XI r1

I i

вкд

ISn i-Sal)

A Л

tfo «г (z (

T)i TK Гх

tnepezp

I уст.

Л.

7)ft к+л . Afm.