Импульсный стабилизатор переменного напряжения Советский патент 1984 года по МПК G05F1/20 

Изобретение относится к электротехнике, конкретнее к устройствам регулирования электрических величин, и может быть использовано, например, для питания радиоэлектронной аппаратуры. Известен импульсный стабилизатор переменного напряжения, срдержан1ий два дросселя, соединенных последовательно между входным и выходным выводами, и ключевой элемент, подключенный между точкой соединения дросселей и общей шиной р1, Недостатками данного стабилизатора являются большие габариты и ограниченные функциональные возможности из-за узкого диапазона стабилизации. Наиболее близким к изобретению является импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий дроссель, первым выводом соединенный через первый ключевой элемент с вход ным выводом, и через аторой ключевой элемент - с общей шиной, а вторым выводом связанный с выходным выводом конденсатор, подключенный между выходным выводом и общей шиной, широтно-импульсный модулятор, первый выхо которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, второй выход - к управляющему входу второго ключевого элемента а вход к выходу блока сравнения входом подключенного к конденсатору 2 . Недостатками известного стабилизатора являются большая масса и ограниченные функциональные возможности обусловленные тем, что дроссель и конденсатор, составляюш;ие фильтр, должны быть рассчитаны на низкую час тоту питающей сети, а стабилизация выходного напряжения возможна только при условии, что.входное напряжение превьшгает по величине выходное. Целью изобретения является уменьшение массы и расширение функциональ ных возможностей стабилизатора. Поставленная цель достигается тем, что импульсный стабилизатор переменного напряженияi содержащий дроссель первым выводом соединенньгй через первый ключевой элемент с входным выводом и через второй ключевой элемент - с общей шиной,, а вторым вьшодом связанный с выходным выводом, конденсатор, подключенный между выходным выводом и общей шиной,широтно-импульсный модулятор, первый выход которого подключен к управлякядему . 39 входу первого ключевого элемента, второй выход - к управляющем входу второго ключевого элемента, а вход к выходу блока сравнения, входом подключенного к конденсатору, снабжен третьим ключевым элементом, подключенным между общей шиной г вторым выводом дросселя, соединенным через введенный четвертый ключевой элемент с выходным выводом, управляющие входы третьего и четвертого ключевых элементов соединены соответственно с введенными третьим И четвертым выводами широтно-импульсного модулятора, который состоит из двух ячеек И, генератора и одновибратора, причем первая ячейка И соединена инверсным выходом с первым выходом широтно-импульсного модулятора, а прямым выходом - с его вторым выходом, а входами - с прямыми выходами генератора и одновибратора, инверсные выходь которых подключены к входу второй ячейки И, прямым выходом соединенной с третьим, а инверсным - с четвертым выходами широтно-импульсного модулятора, входом соединенного с управляющим входом одновибратора, запускающим входом через дифференцирующую цепочку соединенного с прямьм выходом генератора.На фиг.1 представлен блок-схема импульсного стабилизатора переменного напряжения;на фиг.2 - схема широтно-импульсного модулятора с подключенной к ней схемой сравнения. Стабилизатор содержит первый , второй 2, третий 3 и четвертый 4 ключевые элементы, дроссель 5, конденсат тор 6J блок 7 сравнения, широтноимпульсный модулятор 8. Нагрузка 9 подключена к выходным выводам. Широтно-импульсный модулятор 8 (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор 10, дифференцирующую цепочку 1 1 , одновибратор 12 с регулируемой длительностью импульса и первую и вторую логические схемы И 13 и 14 соответственна с гальванически развязанными (например, с помощью оптронов) прямыми и инверсными выходами, являющимися выходами широтно-импульсного модулятора (общие шины этих выводов обозначены соответственно О , 02, 03,-и 04). Входы этих логических схем соединены соответственно с прямыми и инверсными выходами генератора 10 и одновибратора 12. Управляющий вход одновибратоpa 12,является входом широтно-импульного модулятора 8.

Блок 7 сравнения содержит датчик 15 эм IЛИтyды выходного напряжения (выполненный, например, в виде выпрямителя, к выходу которого ПОДКЛЮЧЕН

фильтр низких частот) и регулируемый источник 16 напряжения (например, дифференциальный усилитель один из входов которого соединен с опорным напряжением, а второй - с выходом датчика 15).

Один из выводов дросселя через ключейые элементы 1 и 2 подключен к входу стабилизатораJ а второй вывод дросселя через ключевые элементы 4 и 3 к конденсатору 6 и выходу стабилизатора, к .которому также подключен вход блока 7 сравнения. Вход схемы сравнения подключен к входу широтноимпульсного .модулятора 8, выходы которого выполнены гальванически развязанными (например, с помощью оптронов) и подключены к управляющим входам ключевых элементов 1 - 4.Ключевые элементы 1 - 4 выполнены двухполярными, например транзистор, включенный в диагональ диодного моста.

Частота переключения ключевых элементов во много раз превышает частоту сети, причем при напряжении сети выше номинального значения, ключевой элемент 3 всегда закрыт, а ключевой элемент 4 всегда открыт.

При этом блок 7 сравнения и широтно-импульс-ный модулятор 8 обеспечивают попеременное открывание ключевых элементов 1 и 2, в результате чего на вход фильтра, образованного дросселем 3 и конденсатором 6, поотупают прямоугольные импульсы напряжения, огибающая которых представляет синусоиду, частота которой равна частоте питающей сети. В момент открытого состояния ключевого элемента 1 конденсатор 6 и дроссель 5 накапливают энергию. При закрывании ключевого элемента 1 открывается ключевой элемент 2 и дроссель 5 разряжается на нагрузку 9. Следовательно, в момент паузы напряжение на нагрузке 9 поддерживается за счет энергии, запасенной в конденсаторе- н дросселе. Таким образом, происходит преобразование высокочастотных импульсов напряжения, поступающих на вход фильтра, образованного дросселем 5 и конденсатором 6, в переменное на0839 . 4

пряжение с частотой сети.При этом номиналы емкости конденсатора 6 и индуктивности дросселя 5 выбираются так, чтобы частота среза фильтра была больше частоты сети и меньше частоты переключения ключевых элементов.

Амплитуда выходного напряжения оп зеделяется скважностью работы ключевого элемента I. В режиме стабилизации длительность импульсов тока через ключевой элемент 1 регулируется автоматически блоком 7 сравнения и широтно-импульсным модулятором 8,

поддерживая на нагрузке 9 напряжение с постоянной амплитудой.

При напряжении сети меньше номинального блок 7 сравнения, воздействуя на широтно-импульсньтй модулятор 8, обеспечивает попеременное открывание элементов 3 и 4, открытое состояние ключевого элемента 1 и закрытое состояние ключевого элемента 2. При открытом ключевом элементе 3 происходит накопление энергии в дросселе 5. При закрывании ключевого элемента 3 широтно-импульсный модулятор 8, обеспечивает открывание . ключевого элемента 4 и разряд дросселя 5 в нагрузку 9, и накопление энергии в конденсаторе.6.

При закрывании ключевого элемента 4 конденсатор 6 начинает разряжаться через нагрузку, а дроссель через открытый элемент 3 вновь начинает накапливать энергию. В результате этого на выходе стабилизатора появляется напряжение с частотой сети.

Величина этого напряжения определяется скважностью импульсов тока через ключевой элемент 4, частота работы которого намного превышает частоту сети. Постоянная амплитуда на выходе поддерживается автоматически блоком 7 сравнения и широтно-импульсным модулятором 8, которые регулируют длительность импульсов тока через ключевой элемент 4.

Блок 7 сравнения работает следующим образом.

0 Напряжение с выхода стабилизатора поступает на вход датчика 15 ам- плитуды выходного напряжения, а с его выхода сигнал,пропорциональный амплитуде выходного напряжения, посту5 пает на управляющий вход регулируемого источника 16 напряжения, в котором происходит сравнение величины управляющего напряжения с эталонным, а 9 его выходное напряжение линейно зависит от разности этих напряжений. Такой источник может быть выполнен, например, на микросхеме -142 ЕН I Б. Это напряжение поступает на вход широтно-импульсного модулятора и управляет его работой. Широтно-импульсный модулятор рабо тает следующим образом. Напряжение с выхода блока сравнения поступает на управляющий вход одновибратора 12 с регулируемой длительностью импульса, запуск которого осуществляется по заднему фронту импульса генератора 10 дифференцирующей цепочкой I1. При этом, если длительность паузы генератора меньше чем длительность импульса одновибратора для сигналов, снимаеьшх с их ;прямых в{1псодов, ПРОИСХОДИТ переКрытие импульсов генератора и одновибратора и на выходе логической схемы И 13.на входы которой подаются сигналы с прямых выходов генератора и;одновибратора, периодически появляет ся напряжение логической единицы. Длительность импульсов напряжения на выходе логической схемы 13 равна раз ности длительностей импульса одновиб ратора и паузы генератора. На прямом ,выходе логическойсхемы 14, на входы которий подаются сигналы с инверсшлс выходов -генератора -и одновибратора, при таких условиях постоянно поддерживается напряжение логического нуля Если же длительность паузы генератора больше, чем длительность импульса одновибратора то ..напряжение логической единицы будет периодически появляться на выходе логический схемы 1А, а на выходе логической схемы 13 будет постоянно поддерживат ся напряжение логического нуля. Длительность импульсов на выходе логи396ческой схемы 14 будет равна.разности длительностей паузы генератора и импульса одновибратора. Меняя длительность импульсов одновибратора 12, можно осзпчествить ста билизацию.выходного напряжения, сделав уровень логической единицы напряжением, открьюающим ключевые элементы. При этом, сли напряжение сети больше номинального длительность импульса одновибратора больше длительности паузы генератора и, следователь но, ключевой элемент 4 будет постоянно открыт, ключевой элемент 3 постоян но закрыт, а ключевые элементы 1 и 2 будут периодически переключаться. При напряжении сети меньше номинального. длительность импульса одновибратора становится меньше длительности паузы генератора и в pe3yjibTaте этого ключевой элемент 2 будет постоянно открыт, ключевой элемент 1 будет постоянно закрыт, а ключевые . элементы 3 и 4 будут периодически переключаться.. . Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностью импульса одновибратора и паузы генератора. Таким образом, поскольку широтноимпульсная модуляция осуществляется на частоте генератора, по меньшей мере, на порядок превьш1ающей частоту питаняцей сети, дроссель 5 и конденсатор 6 сильно уменьшены по массе и габаритам в сравнении с известным .стабилизатором, а наличие ключевых элементов 3 и 4 с соответствующими связями позволяет осуществлять стабилизацию выходного напряжения как при повышении, так и при понижении входного напряжения, что существенно расширяет функциональные возможности стабилизатора.

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ., содержащий дроссель, первым выводом соединенныйчерез первый ключевой элемент с входным выводом и через второй ключевой элемент - с общей шиной, конденсатор, подключенный между выходным выводом и общей шиной, широтно-импульсный модулятор,, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, второй выход к управляющему входу второго ключевого элемента, а вход - к выходу блока сравнения,.входом подключенного к конденсатору% от:личающийс я тем, что, с целью уменьшения массы и расширения функциональных возможностей импульсного стабилизат«9ра, он снабжен третьим ключевым элементом, подключенным между общей шиной и вторым выводом дросселя, соединенным через введенный четвертый ключевой элемент с выходным выводом, управляющие входы третьего и четвертого ключевых элементов соединены соответственно с введеннымитретьим и четвертым выводами широтно-нмпульсного модулятора, который состоит из i двух ячеек И, генератора и одновибрагтора, причем первая ячейка И. соедине;на инверсным выходом с первым выходом широтно-импульсного модулятора, а прямым выходом - с его вторым выхо(Л дом, а входами - с прямыми, выходами генератора и одновибратора, инверсные выходы которых подключены к входу ; . второй ячейки И, прямым выходом соединенной с третьим, а инверсным - с четвертьхм выходами , широтно-импульсного модулятора, входомсоединенного с управляющим входом .одновибратора, 00 запускающим входом, через дифференцио рующую цепочку соединенного: с прямым 00 выходом генератора. со OD