Однотактный преобразователь напряжения постоянного тока Советский патент 1986 года по МПК H02M3/335 G05F1/46 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания и -в электронных устройствах преобразовательной техники.

Цель изобретения - повышение надежности работы устройства.

На иг. 1 представлена функциональная схема однотактного преобразователя напряжения постоянноготока на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства при разомкнутой обратной связи; на фиг. 3 - то же, при замкнутой связи.

Устройство содержит входную силовую шину 1, источник 2 опорного напряжения, усилитель 3 сигнала обратной связи, интегратор А, генератор 5 пилообразного напряжения, блок 6 гальванической развязки, компаратор 7, второй резистор 8 смещения коллекторньй резистор 9, управлякяций транзистор 10, эмиттерный резистор 11, дифференцирующее звено 12, коммутирующий транзистор 13, Щ1П-транзистор 14, первый резистор 15 смещения, биполярный тра«зистор 16, выходной трансформатор 17, вьшрямитель 18, фильтр 19, выходную шину 20. ,

На временной диаграмме фиг. 2 обозначены: а - выходной сигнал генератора пилообразного напряжения, б - сигнал на выходе компаратора, в - входной сигнал дифференцирующего звена, г - выходной сигнал дифференцирующего звена, д - сигнал на коллекторе мощного биполлярного транзистора, е - сигнал на выходе выпрямителя.

На временной диаграмме фиг. 3 те же сигналы при замкнутой обратной связи (соединение входа блока гальванической развязки 6 с выходной шиной устройства 20).

Устройство работает следукнцим образом.

При поступлении на входную силову шину 1 входного постоянного напряжения поступает питание на источник 2 опорного напряжения, усилитель 3 сигнала обратной связи, интегратор 4, генератор 5 пилообразного напряжения компаратор 7, резистор 8 смещения, коллекторный резистор 9 и на входную обмотку выходного трансформатора 17. При зтом пока сигнал обратной связи равен нулю (выходной сигнал равен

нулю), напряжение U на выходе блока 6 гальванической развязки равно нулю, а напряжение на выходе силителя 3 сигнала обратной связи равно

(Uon - Uo, )-К и„„-К,

1,0

ОС

on

где К - коэффициент усиления, задаваемый усилителю 3;

и - напряжение источника 2 опорСПного напряжения,

На один вход компаратора 7 поступает пилообразное напряжение с выхода генератора 5 пилообразного напряжения (фиг. 2), а на другой вход - выходное напряжение интеграTojpa 4, равное в момент поступления питающего напряжения К U. С целью ограничения импульсного выброса тока в нагрузку при включении питания

(поступления на входную силовую шину постоянного напряжения), а также для обеспечения режима мягкого запуска преобразователя амплитуда пилообразного напряжения выбрана из условия

i и,

и

ПИАЫ

При этом условии в начальный момент времени на выходе компаратора 7 устанавливается положительное напряжение, которое открывает управляющий транзистор 10. В результате вход дифференцируняцего звена 12 через коллекторно-эмиттерный переход управлякяцего транзистора соединяется с общей шиной устройства. Это обеспечивает появление на выходе дифференцирующего звена 12 выброса напряжения отрицательной полярности, которое запирает МЦПтранзистор, а в результате заперт и мощный биполярный транзисторi Входная обмотка выходного трансформатора 1 7 оказывается обесточенной и

5 выброса тока в нагрузку не происходит. После прохождения начального моментаначинается переходной процесс установления динамического равновесия в схеме. При этом выходное

0 напряжение интегратора 4 уменьшается до значения, равного К до нуля, и когда оно становится меньше амплитуды пилообразного напряжения, на выходе компаратора 7 появляются ко5 роткие положительные опрокинутые им пульсы напряжения, а на коллекторе управляющего транзистора io - корот кие положительные импульсы амплитудои, равной входному напряжению (нап ряжению на входной силовой шине 1), Вид этих напряжений приваде на фиг. . Далее эти импульсы поступают на вход дифференцирующего звена 12 к при постоянной времени дифференцирующего звена, большей или равной, периоду этой импульсной последовательности (периоду генератора пилообразного напряжения) на его выходе формируется знакопеременное прямоугольное напряжение, приведенное на фиг. 3&,2 ). При этом если постоянные времени заряда и разряда дифференцирующего звена равны, то площади положительных и отрицательных импульсов, формируемых на выходе дифференцирующего .звена, равны. Например, пр разомкнутой обратной связи в преобразователе на вход дифференцирующего звена поступает последовательность положительных импульсов со сважностью, .равной двум. Амплитуда положительных и отрицательных импульсов, формируемых на выходе дифференцирующего звена, равны между собой и равны половине амплитуды входных импульсов (фиг. 32), fi при увеличении скважности входных импульсов (обратная связь замкнута) происходит увеличение амплитуды положительных импульсов и уменьшение амплитуды отрицательных импульсов На выходе дифференцирующего звена, но при этом площади их остаются равными.

Эти импульсы поступают на затвор МДП-транзистора 14 и управляют величиной его тока стока, т.е. в момент прихода положительных импульсов к истоку в ЩЩ-транзисторе течет ток, пропорциональный амплитуде положительных импульсов, прошедших на затвор. Этот ток поступает в базу мощного биполярного транзистора и открывает его. В момент прихода отрицательных импульсов на затвор МДП-транзистора он запирается, тем самым обесточивая базу мощного биполярного транзистора 16 и запирая его. Таким образом, пара МДП-транзистор - мощньА биполярный транзистор работает как составной транзистор, управляемый напряжением. В результате этих процессов на коллекторе мощного биполярного транзистора формируется последовательность однополярных положительных импульсов амплитудой, примерно равной напряжению на входной

силовой шине 1..Глубина запирания пары МДП-транзистор - мощный биполярный транзистор зависит от величины амплитуды отрицательных импульсов на затворе МДП-транзистора. Чем эта величина больше, тем меньше остаточный ток ЩП-транзистора, тем глубже заперт мощный биполярный транзистор. Практически при амплитуде отрицательных импульсов более 3 В величина остаточного тока мала и не вызывает отпирания мощного биполярного транзистора. Далее импульсы с выходной обмотки выходного трансформатора 17 поступают на вход выпрямителя 18. На его выходе формируется выпрямленное напряжение, величина которого пропорциональна амплитуде и скважности выпрямленных импульсов (фиг. 35-е) . По мере уменьшения выходного напряжения интегратора 4 величина скважности периодической последовательности импульсов, формируемых на коллекторе мощного биполярного транзистора 16, стремится к двум, а вбпсодное напряжение преобразователя - к максимальному значению (фиг. Зе). Так как обратная связь замкнута, то часть, выходного напряжения через блок 6 гальванической развязки поступает на первый вход усилителя 3 сигнала обратной связи. Его выходное напряжение начинает уменьшаться, как только оно становится меньше опорного напряжения, интегратор 4 изменяет направление интегрирования и его выходное напряжение увеличивается, что вызывает изменение скважности импульсной последовательности, поступающей на вход выпрямителя и вызывает уменьшение величины выходного напряжения. При уменьшении его ниже некоторой величины, определяемой коэффициентом усиления усилителя сигнала обратной связи, величина выходного напряжения этого усилителя становится больше опорного напряжени и выходное напряжение интегратора опять уменьшается, вызывая увеличение выходного напряжения устройства. После достижения состояния равновесия в схеме выходное напряжение не изменяется, однако, изменяя коэффициент усиления усилителя 3 сигнала обратной связи, можно установить желаемую величину выходного напряжения устройства. Введенные коммутирующий транзистор 13 и эмиттерный резистор 51 11 обеспечивают замыкание базы мощного биполярного транзистора 16 на общую зону устройства в момент прохождения отрицательного импульса на затворе МДП-транзистора 14, так как при этом открыт управляющий транзистор 13, который в свою очередь шунтирует база-эмиттерный переход мощного биполярного транзистора 16, обеспечивая его надежное запирание. Введенный второй резистор 8 смещения необходим для обеспечения работоспособности компаратора 7 при соединении его коллекторного выхода с базой управляющего транзистора 10. С целью упрощения устройства дифференцирующее звено.12 выполнено в виде дифференцирующей RC-цепи с постоянной времени, равной или большей перехода выходного напряжения генера тора 5 пилообразного напряжения. При этом постоянные времени заряда и раз ряда дифференцирующей RC-цепи равны между собой, а их величина выбрана из условия неискаженного прохождени импульсов через дифференцирующую цепь. При увеличении скважности периодической последовательности импульсов, поступающих на вход RC-цепи амплитуда положительных импульсов на ее выходе возрастает, а амплитуда отрицательных импульсов уменьшается пропорционально увеличению скважности. Наступит момент, когда амплитуда отрицательных импульсов уменьшится настолько, что ее не хватит для запирания МДП-транзистора 14 и последний может открыться. Так как в это время мощный биполярный транзистор 16 заперт открытым коммутирующим транзистором 13, через последний и проте кает ток открывшегося МДП-транзистор 14, что вызывает ухудшение энергетических характеристик устройства, а именно - снижение его КПД. Кроме того, если начальный ток открывшегося МДП-транзистора 14 имеет значительную величину, то может открыться и мощный биполярный транзистор 16, что вызывает еще более значительное ухуд шение его энергетических характеристик и приводит к нарушению работоспо собности устройства в целом, т.е. к снижению его. надежности. Поэтому с целью повьш1ений надежности работы устройства в широком диапазоне выход ных напряжений дифференцирующее звено предлагается выполнить с динами88еским смещением. Из теории импульсных устройств известно, что в дифференцирующем звене возникает динамическое смещение при условии, например, неравенства постоянных времен заряда и разряда дифференцирующего звена, которые можно определить по формуле pa.. -эар UBX / Uorp постоянная времени разряда дифференцирующего звена 12; постбянная времени заряда дифференцирующего звена 12; скважность входной периодической последовательности импульсов; амплитуда импульсов входной периодической последовательности;амплитуда отрицательных импульсов на выходе дифференцирующего звена 12; период выходных импульсов генератора пилообразного напряжения 5. Пользуясь приведенной формулой, легко определить, что для получения одной и той же амплитуды отрицательных импульсов на выходе дифференцирующего звена 12 при возрастании скважности в К раз необходимо, как минимум, во столько же раз уменьшить постоянную времени заряда относительно постоянной времени разряда дифференцирующего звена 12: Применение однотактного преобразователя позволяет повысить и улучшить энергетические характеристики электронных устройств, в составе которых они используются в широком диапазоне выходных напряжений, Формула изобретения 1. Однотактный преобразователь напряжения постоянного тоХа, содержащий источник опорного напряжения. усилитель сигнала обратной связи, интегратор, генератор пилообразного напряжения, блок гальванической развязки, компаратор, МДП- и биполярный транзисторы, включенные по схеме сос тавного транзистора, выходной трансформатор, выходная обмотка которого через последовательно соединенные выпрямитель и фильтр соединена с выходной шиной, а первичная обмотка одним концом соединена с входной силовой шиной, а другим - со стоком ВДП и коллектором биполярного транзистора, база которого соединена с истоком и поДложкой МДП-транзистора и первым выводом первого резистора смещения, а эмиттер - с вторым выводом первого резистора смещения и с общей шиной, вход блока гальванической развязки соединен с выходной шиной,, выход - с первым входом усилителя сигнала обратной связи, выход которого соединен с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с вторым входом усилителя сигнала обратной связи и с выходом источника опорного напряжения, а вы ход соединен с вторым входом компаратора, первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, отличающи с я тем, что, с целью повьш1ения на дежности работы устройства, в него введены управляющий и коммутирующий транзисторы одного типа проводимости с би иинте9,,„ полярным транзистором, коллекторньй и эмиттерньш резисторы, второй резистор смещения и дифференцирующее звено, вход которого соединен с первым выводом коллекторного резистора и с коллектором управляющего транзистора, сигнальный выход - с затвором МДПтразистора, а общий выход - с общей шиной, база управляющего транзистора соединена с первым выводом второго резистора смещения и с выходом компаратора, второй вывод второго резистора смещения соединен с вторым выводом коллекторного резистора и входной силовой шиной, эмиттер управляющего транзистора соединен с первым выводом эмиттерного резистора и с базой коммутирующего транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом эмиттерного резистора и с общей шиной, а коллектор - с базой биполярного транзистора. 2.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства, дифференцирующее звено выполнено в виде RC-цепи с постоянной времени, определяемой частотой генератора пилообразного напряжения. 3.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы в широком диапазоне выходных напряжений, дифференцирующее звено выполнено с динамическим смещением.

- Uomp

ивш.

фиг, 2