Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное с защитой Советский патент 1984 года по МПК H02M3/335 H02H7/12 

11 Изобретение относится к источника питания и может найти применение в устройствах электропитания узлов автоматики, средств связи и вычислительной техники о Известен стабилизированный преобразователь, содержащий транзисторный инвертор, силовой трансформатор, вьшрямители с LC -фильтрами, потенци альную и общую шину с подключенной к ним нагрузкой и блоком управления, получающим питание от трансформатора задающего генератора, широтно-импуль сный модулятор с выходным управляюгци трансформатором, компаратором широтно-импульсной модуляции,- на неинвертирующий вход которого через ограничительньй резистор и развязьшающие диоды подключень одновременно выход компаратора защиты, выход усилителя постоянного тока на операционном усилителе и через разделительный конденсатор, выход генератора треугольного напряжения, а к неинвертирующему входу - средняя точка резистивного делителя напряжения питания блока управления, источник опорного напряжения на стабилитроне, запитывающий одновременно резистивные дапи тели входных напряжений компаратора защиты с одним датчиком тока и резне тивньш делитель опорного напряжения усилителя постоянного тока, измерительный резистивный делитель усилителя постоянного тока, подключенный к плюсовой потенциальной плане одного из выпрямителей выходного напряжения отдельную схему формирования временной паузы и отдельную схемч/ защиты от превышения выходного напряжения Ci Недостатками известного устройств ЯВЛЯЮТСЯ низкая надежность стабилизи рованного преобразователя из-за отсутствия защиты от перегрузок и короткого замыкания любого из выпрямителей выходного напряжения и при понижении входного напряжения ниже допустимого уровня, так как из-за отсутствия цепи автоматического увеличения временной паузы не происходит ограничение потребляемой преоб , разователем мощности. Кроме того, наличие сложной схемы защиты от превышения выходных напряжений также снижает надежность стаби лизированного преобразователя. Наиболее близким к предлагаемому является стабилизированный преобразр 332 ватель, содержащий транзисторный инIsepTop,, выпрямители с LC -фильтрами, потенциальную и общую шину для подключения нагрузки, блок управления, получающий, питание от трансформатора за.ающего генератора и включающий в себя стабилитрон для получения опорного напряжения, задающий генератор, широтно-импульсный модулятор, компаратор ншротно-импульсной модуляции (ШИМ), усилитель постоянного тока на операционном усилителе, генератор треугольного напряжения, датчики тока, компаратор защиты от перегрузки по токУэ цепь автоматического увеличения Ефеменной паузы и блок защиты от превышения зыходньк напряжений, а также цепь, обеспечивающую линей4}ое нарастание входного тока преобразователя при его включении, силовой и управляющий трансформаторы 2}, Однако указанный стабилизированный преобразователь обладает низкой надежностью из-за того, что, во-первых, при перегрузке и коротком замыкании на выходе преобразователя происходит не выключение широтно-импульсного модулятора, а лишь ограничение длительности формируемых им импульсов, И; во-вторых, включение датчика тока в выходную цепь преобразователя не позволяет осуществить срабатывание защиты при аварии в схеме самого преобразователя. Кроме того, наличие дополнительных элементов в блоке управления для защиты нагрузки от превьшения выходного напряжения и для защиты транзисторного инвертора от сквозных токов усложняет устройство и снижает его надежностьЦель изобретения - повьщ1ение надежности путем выключения пхиротно-импульсного модулятора как при перегрузках и коротких замыканиях на выходе стабилизированного преобразователя, ТЕК и при нарушениях в работе его схемы и осуществления последующего автоматического повторного включения через фиксированный промежуток времени, Поставленная цель достигается тем, что стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное с защитой, содержащий силовой трансформатор, выпрямитель с иС-фильтром, транзисторные ключи,блок управления, состоящий из задающего генератора, генератора пилообразного напряжения, широтно-импульсного моду лятора, компаратора последнего и уси лителя постоянного тока, блок защиты с первым компаратором, блок защиты преобразователя снабжен вторым компа ратором, блокирующим диодом, интегрирующей и времязадающей РС -цепями и пороговым резистивным делителем, причем инвертирующий вход второго компаратора блока защиты соединен с конденсатором времязадающей RC -цепи, подключенным через первый развязывающий диод к выходу первого компаратора блока защиты, неинвертирующий вход - со средней точкой порогового резистивного делителя, которая через второй и третий развязывающие диоды подключена к выходу первого компаратора блока защиты, а выход второго компаратора блока защиты через четвертый развязывающий диод под ключен к инвертирующему входу компаратора широтно-импульсного модулятор блока управления и через блокирующий диод - к конденсатору интегрирующей Rt-цепи,- неинвертирующему входу первого компаратора блока защиты и резистору интегрирующей RC-цепи, соединенному с неинвертирующим входом первого компаратора, инвертирующий вход которого связан с выходом усили теля постоянного тока. Причем Б блок защиты дополнительно введена последовательная RC-цепь, резистор который через пятый и шестой развязывающие диоды соединен соотве ственно с выходом второго компаратора блока защиты и с инвертирующим входом усилителя постоянного тока блока управления. Кроме того, к выходу усилителя по стоянного тока блока управления дополнительно подключен резистивный делитель, со средней точкой которого соединен неинвертирующий вход компаратора широтно-импульсного модулятора блока управления. На чертеже изображена электрическая схема преобразователя. Устройство содержит силовой трансформатор 1, выпрямитель 2 с RC-фильтром 3, потенциальную и общую шины 4 и 5, транзисторные ключи (инверторы) 6 и 7, блок 8 вспомогательных напряжений, блок 9 управления, состоящий из задающего генератора 10, генератора 11 пилообразного напряжения, широтно-импульсного моду1334 лятора 12, компаратора широтно-импульсного модулятора 13 и усилителя 14 постоянного тока, блок 15 защиты, содержащий первьш компаратор 16, второй компаратор 17, блокирующий диод 18, интегрирующую RC -цепь 19 и 20, времязадающую RC-цепь 21 и 22, пороговьш резистивный делитель 23 и 24, развязывающие диоды 25-28, последовательную RC -цепь 29 и 30, развязывающие диоды 31 и 32, кроме тот го, в блоке управления имеются резистивные делители ЗЗ и 34 и развязывающий резистор 35. Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. В установившемся режиме блок 9 управления формирует импульсы, управляющие состоянием транзисторных ключей 6 и 7, которые, поочередно открываясь, формируют на силовом трансформаторе 1 напряжение типа меандр. Это напряжение трансформируется силовым трансформатором 1, выпрямляется вьшрямителем 2 и после фильтрации перемен- ной составляющей L С -фильтром 3 подается на выходную потенциальную шину 4 для подключеня нагрузки преобразователя и через развязывающий резистор 35 - на инвертирующий вход усилителя 14 постоянного тока, на неинвертирующий вход которого подано опорное напряжение. Усилитель 14 постоянного тока усиливает рассогласование между опорным и выходным напряжениями и формирует на своем выходе напряжение, определяющее порог срабатывания компаратора 13 широтно-импульсного модулятора, к инвертирующему входу которого подключен выход генератора 11 пилообразного напряжения. Таким образом, длительность выходных импульсов компаратора 13 широтно-импульсного модуля- тора пропорциональна величин е выходного наряжения усилителя 14 постоянного тока. Работа генератора 11 пилообразного напряжения так же, как и работа широтно-импульсного модулятора 12,. синхронизируется задаюшд м генератором 10. Благодаря этому импульсы с выхода компаратора 13 широтно-импульс- ного модулятора распределяются широтно-импульс ным модулятором 12 по принципу первый-второй на два его выхода, т.е. осуществляется поочередное открывание и закрывание транзисторных ключей 6 и 7. 10 При уменьшении выходного напряже ния преобразователя выходное напряже ние инверсно-включенного усилителя 1 постоянного тока увеличивается, что изменяет порог срабатывания компаратора 13 широтно-импульсного модулято ра в сторону увеличения длительности формируемых им импульсов. Импульсы большей длительности5 распределяясь 1шротуо-импульсным модулятором 12 между транзисторными ключами 6 и 7, увеличивают длительность импульсов мейкдра на силовом трансформаторе 1 без изменения частоты исследования, что ведет к повышению выходного напряжения, т.е. к стабнлизадии. Наличие резистивного делителя 33, 34 на выходе усилителя 14 постоянного тока позволяет уменьшить его максимально-возможное напряжение до уровня, при котором комларатор 13 широтно-импульсного модулятора формирует импульсы, длительность которых исклю чает возможность одновременного от1срываниятранзисторных ключей 6 и 7, что устраняет вероятность появления сквозных токов. При увеличении выходного напряжения преобразователя выходное напряхзсение усилителя 14 постоянного тока уменьшается, что приводит к уменьшению длительности импульсов компарато ра 13s а значит и к уменьшению длительности импульсов меандра и уровня выходного напряжения преобразователя, т.е. к стабилизации. В установившемся режиме и при отсутствии аварии на выходе преобразователя первый компаратор 16 блока за циты находится в состоянии 1, так 1сак напряжение средней точки резистивного делителя 33, 34, включенного ла выходе усилителя 14 постоянного тока, подаваемое на инвертирующий вход первого компаратора 16, не пре13ЬШ1ает опорное напряжение, подаваемо на его неинвертирующий вход и задающее порог срабатывания блока 15 защи ты. При этом конденсатор 22 времязадающей RC -цепи 21, 22, подключенный к инвертирующему входу второго компаратора 17 блока 15 защиты заряжен до напряжения питания, а напряжение на инвертирующем входе компаратора 1 несколько меньше и определяется пороговым резистивным делителем 23, 24 устанавливающим порог срабатьшания второго компаратора 17. При этом ком паратор 17 будет находиться в состоя 3 нии О, разрешая тем работу компаратора 13 широтно-импульсного модулятора. При перегрузке преобразователя по выходному току усилитель 14 постоянного тока, выполняющий функцию датчика тока, реагирует на уменьшение выходного напряжения преобразователя повышением напряжения на своем выходном резистивном делителе 33, 34 и при достижении заданного уровня происходит переброс первого компаратора 16в состояние О. Это обеспечивает путь для быстрого разряда конденсатора 22 времязадающей цепи 21, 22 через первый развязывающ.ий диод 25 и первый компаратор 16, а также меняет порог срабатывания второго компаратора 17, ш нтируя через развязывающие диоды 26 и 27 и первый компаратор 16 нижнее плечо порогового делителя 23, 24. Развязывающий диод 27 для создания дополнительного напряжения смещения на инвертирующем входе второго компаратора 17, что обеспечивает надежное срабатывание компаратора 17 после разряда конденсатора 22. Время разряда определяется емкостью конденсатора 22 и максимально допустимым током через развязывающий диод 25 и первый компаратор 16э и может составлять О, 1. ..5 мс Пос-ле разряда конденсатора 22 до нового порога срабатывания второй компаратор 17переходит в состояние 1 и своим выходным напряжением более высоким, чем максимально возможное на средней точке резистивного делителя 33, 345 подаваемым через развязываюшгий диод 28 на инвертирующий вход компаратора 13 широтно-импульсного модулятора, блокирует его работу, что приводит к выключению модулятора 12 и закрыванию транзисторных ключей 6 и 7. Одновременно с этим напряжение с выхода второго компаратора 17 ерез блoкиpyюш й диод-18 подается на неинвертируюшд й вход первого компаратора 16, что переводит первый компаратор 16 в исходное состояниезрпри котором на неинвертирующем входе второго компаратора 17 устанавливается первоначальный порог срабатывания и обеспечивается в течение Os,25...1 с медленный заряд конденсатора 22 через резистор 21. В течение времени заряда конденсатора 22 до напряжения, большего чем напряжение на пороговом резистивном делителе 23, 24, второй компаратор 17 по-прежнему удерживается в состояний 1, при котором транзисторные ключи 6 и 7 закрыты, а на выходе преобразователя напряжение отсутствует. Поэтому выходное напряжение усилителя 14 постоянного тока, подаваемое на инвертирующий вход первого компаратора 16, будет максимально возможным, но меньшим чем напряжение 1, подав емое через блокирующий диод 18 на не инвертирующий вход компаратора 16 и его повторное срабатывание не произой дет, пока есть блокирующее напряжение. Повторное включение модулятора пр исходит после возвращения второго компаратора 17 в исходное состояние, что возможно только после заряда кон денсатора 22 времязадающей RC -цепи 22, 23 до напряжения, превьшающего первоначальный порог срабатывания второго компаратора 17. На этом цикл работы блока 15 защиты закончен.Первый компаратор 16 разблокирован и го тов к повторному срабатыванию. Следует отметить, что любое включение преобразователя в сеть сопровождается срабатыванием блока 15 защиты, так как на первоначальное отсутствие выходного напряжения преобразователя усилитель 14 постоянного тока реагирует максимальным выходным напряжением. Для обеспечения надежно го включения преобразователя после отработки первого цикла защиты при неисправной или отсутствующей схеме линейного нарастания входного тока пре образователя блок 15 запщты снабжен интегрирующей RC -цепью 19, 20, конденсатор которой при срабатывании защиты быстро заряжается через блоки рующий диод 18 до напряжения 1, а после выключения защиты, разряжаясь через резистор 19, поддерживает блокирующее напряжение на неинвертирующем входе первого компаратора 16 в течение времени немного большего, чем время заряда емкости выходного фильтра 3 до номинального напряжения при включении преобразователя. Кроме того, для обеспечения линей ного нарастания входного напряжения при включении преобразователя в сеть или после срабатывания защиты применена последовательная RC -цепь 2f5, . 30, конденсатор которой при включенной защите заряжается до напряжения 1 второго компаратора 17, превышаю щего опорное напряжение усилителя 14 постоянного тока. При этом на выходе последнего устанавливается напряжение, значительно меньшее порога срабатывания блока 15 защиты. После выключения защиты конденсатор 30 медленно (за 0,1...О,3с) разряжается через резистор 35 и нагрузку, а напряжения на выходе усилителя 14 постоянного тока и выходе преобразователя плавно увеличиваются до номинальных значений. Любая неисправность в схеме преобразователя, например, несимметричная работа ключей , остановка задающего генератора 10 и генератора 11 пилообразного напряжения, ненормальная работа широтно-импульсного модулятора 12 и т.п. приводит к уменьшению выходного напряжения преобразователя и повьш1ению выходного напряжения усилителя 14 постоянного тока выше порога срабатывания блока 15 защиты. При этом защита сработает вьш1е описанным способом. Выход из строя усилителя 14 постоянного тока приводит либо к срабатыванию защиты, если выходное напряжение усилителя 14 постоянного тока станет максимальным, либо к ограничению входной-мощности преобразователя, если выходное напряжение усилителя 14 постоянного тока станет минимальным. - . Питание блока 9 управления и блока 15 защиты осуществляется от блока 8 вспомогательных напряжений, в которбм тагсже формируются все опорные напряжения. По сравнению с прототипом предлагаемый стабилизированный преобразователь обладает повьш1енной надежностью. Это достигается, во-первых, за счет того, что при срабатывании защиты в нем происходит не ограничение потребления входной мощности (как в прототипе), а блокировка компаратора широтно-импульсного модулятора на определенное время, т.е. входная мощность не потребляется. Во-вторых, защита в предлагаемом преобразователе срабатьшает не только при перегрузках по току и коротких замыканиях в выходной цепи (как в прототипе), но и при любых неисправностях (несимметричная работа ключей, остановка задающего генератора или генератора пилообразного напряжения, ненормальная работа широтно-импульсного модулятора и

9.J08973310

т.п.) в схеме самого преобразователя, этом прежде всего предохраняются от атакже при понижении входного напря- выхода из строя транзисторные ключи жения ниже допустимого уровня. При самые уязвимые элементы схемы.

1.СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С ЗАЩИТОЙ, содержащий силовой трансформатор, выпрямитель с LC -фильтром, транзисторные ключи, блок управления, состоящий из задающего генератора, генератора пилообразного напряжения, широтно-импульсного модулятора, компаратора последнего и усилителя постоянного тока, блок защиты с первьм компаратором, отличающийся тем, что, с целью повышения его надежности путем вь1ключения широтно-импульсного модулятора как при перегрузках по току выпрямителя, так и при неисправностях в схеме преобразователя и автоматического повторного включения широтнои myльcнoгo модулятора через фиксированный промежуток времени, блок защиты преобразователя снабжен вторым компаратором, блокирующим диодом, интегрирующей и времязадающей RC-цепями и пороговым резистивным делителем, причем инвертирующий вход второго компаратора блока защиты соединен с конденсатором времязадающей RC -цепи, подключенным через первый развязывающий диод к выходу первого компаратора блока защиты, неинвертирующий вход - со средней точкой порогового резистивного делителя, которая через второй и третий развязывающие диоды подключена к выходу первого компаратора блока защиты, а выход второго компаратора блока защиты через четвертый развязывающий диод подключен к инвертирующему входу компаратора широтно-цмпульснОго модулятора блока управления и через блокирующий диод - к конденсатору интегрирующей (С-цепи, неинвертирующему входу первого компаратора блока защиты и резистору интегрирующей RC -цепи, соединенному с неинвертирующим входом с S первого компаратора, инвертирующий вход которого связан с выходом усили(Л теля постоянного тока. 2.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения линейного нарастания входного тока преобразователя, в блок защиты дополнительно введена последовательная RC-цепь, резистор котоо рой через пятый и шестой развязываю00 цще диоды соединен соответственно с со выходом второго компаратора блока защиты и с инвертирующим входом усиее лителя постоянного тока блока управОС ления. 3.Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что, с целью исключения возникновения сквозных , к выходу усилителя постоянного тока блока управления дополнительно подключен резистивный делитель, со средней точкой которого соединен неинвертирующ1:й вход компаратора широтно-импульсного модулятора блока управления.

3€bat

7 UJ Ц

KHoip xe