Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1987 года по МПК H02M3/335 

112839062

Изобретение относится к электро- ключей к выходу вспомогательного бло- технике и предназначено для исполь- ка 14 выпрямления и сглаживания, а зевания при реализации электропитания выход - к одному из входов компара- радиоэлектронной аппаратуры,тора 11. Другой вход компаратора 11

Цель изобретения - повьшение К1Щ 5 соединен с выводами конденсатора 11 и качества стабилизации выходного на- последовательной RC-цепочки 8, а вы- пряжения.ход через блок 15 временной задержНа фиг.1 представлена.функциональ- ки - с цепью управления вспомогательная схема предложенного стабилизиро- пого транзисторного ключа 7. Выход ванного преобразователя постоянного tO блока 20 обратной связи включен па- напряжения, н а фиг,2 - временные ди- раллельно выходу резистивного дели- аграммы токов и напряжений, иллюстри- теля 12-13 напряжения, между входным рующие его работу.потенциальным выводом которого и

Устройство содержит накопительный клеммой 22 включен блок 21 первона- дроссель 1 (фиг,1) с обмотками вход- чального запуска. Первый вход блока ной 2, выходной 3 и обратной связи 4, 16 формирования запускающих импуль- силовой транзистор 5, силовые выпря- сов (вход нуль-органа 19) соединен с митель и фильтр, условно объединенные выводами обмотки 4 обратной связи на- в блоке 6, вспомогательный транзис- копительного дросселя 1, второй вход торный ключ 7, последовательную RC- (вход инвертора 18) - с выходом блока цепочку 8 с резистором 9 и конденса- 15 временной задержки, а выход (выход тором 10, компаратор 11, делитель элемента 17 И) - с цепью управления напряжения с резисторами 12 и 13, силового транзистора 5. В блоке 16 вспомогательный блок 14 вьтрямления формирования запускающих импульсов и сглаживания, блок 15 временной за- выходы нуль-органа 19 и .инвертора 18 держки, блок 16 формирования запус- подключены к входам элемента 17 И. кающих импульсов с двухвходным эле- Устройство работает следующим об- ментом 17 И, инвертором 18 и нуль- . разом.

органом 19, блок 20 обратной связи, В исходном состоянии конденсаторы выполненный по схеме дифференциаль- фильтров выпрямителей 6, 14 и RC-це- ного усилителя с оптронным выходом, почек 8, 21 разряжены. Процесс вклю- блок 21 первоначального запуска. Схе- чения преобразователя напряжения ма содержит клемму 22 для подключения осуществляется подачей постоянного потенциального вывода первичного ис- напряжения U, питания между клеммой точника питания, а также клеммы 23 и 35 22 и шиной нулевого потенциала. Под .24 для подключения нагрузки. Коллек- действием постоянного напряжения U/j тор силового транзистора 5 через происходит заряд конденсаторов блока входную обмотку 2 накопительного 21 первоначального запуска и вспомо- дросселя 1 соединен с клеммой 22, а гательного блока 14 выпрямления и эмиттер подключен к шине нулевого по- 40 сглаживания. Напряжением с фильтра тенциала. Блок 6 с силовыми выпрями- блока 14 запитываются компаратор 11, телем и фильтром включен между выход- блок 15 временной задержки, блок 16 ной обмоткой 3 накопительного дроссе- формирования запускающих импульсов. ля 1 и клеммами 22, 24. К выходу блока 6 подключен вход блока 20 обратной 45 в начальньй момент времени конден- снязи. Вход вспомогательного блока 1 сатор 10 КС-цепочки 8 разряжен и по- выпрямления и сглаживания соединен с этому на инвертирующем входе компа- обмоткой 4 обратной связи накопи- ратора 11 присутствует потенциал, тельного дросселя 1, подключенной че- равный нулю. На неинвертирующий вход рез балластньй резистор (не обозна- 50 компаратора 11 подается положительный чен) к эмиттер-базовому переходу си- потенциал с выхода резистивного дели- лового транзистора.5. Последователь- теля 12-13 напряжения. При этом на ная RC-цепочка 8 включена параллельно выходе компаратора 11 появляется сиг- обмотке 4 обратной связи накопитель- нал высокого уровня, который поступа- ного дросселя 1, Вспомогательный 55 ет на вход блока 15 временной задер- транзисторный ключ 7 включен парал- жки (сигнал высокого уровня на входе лельно эмиттер-базовому переходу си- или выходе логического элемента счи- левого транзистора 5. Вход резистив- тается единичным, а сигнал низкого ноге делителя 12-13 напряжения под- уровня - нулевым).

Блок 15 временной задержки выполнен таким образом, что при появлении на его входе единичного сигнала на выходе нулевой сигнал появляется не сразу, а спустя некоторое время, оп- ределяемое параметрами элементов, составляющих временную задержку. При .подаче на вход блока 15 временной задержки нулевого сигнала на выходе вырабатывается единичный сигнал без вудержки времени. Таким образом, при появлении единичного сигнала на входе блока 15 временной задержки на его

Под действием напряжения, наведенного в обмотке 4 обратной связи дросселя 1, дозаряжается конденсатор фильтра выпрямителя 14, заряжается конденсатор 10 последовательной RC- цепочки 8, дополнительно подается ток в базовую цепь силового транзисвыходе присутствует единичный сигнал в течение длительности задержки. Этим 5 тора .5, а нуль-орган 19 переключается сигналом открыт вспомогательный тран- в нулевое состояние по выходу. На вы- зисторный ключ 7, Вькодной цепью ключа 7 зашунтирована базовая цепь силового транзистора 5, и последний на20

ходе логического элемента 17 И появляется нулевой сигнал и, соответственно, прекращается запускающий ток с выхода блока 16 формирования запускающих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5, Однако последний продолжает надежно удерживаться в открытом состоянии сигналом с обмотки

дежно закрыт.

Одновременно единичный сигнал с выхода блока 15 временной задержки подается на вход инвертора 18 блока 16 формирования запускающих импульсов и преобразуется в нулевой сигнал на 5 4 обратной связи дросселя 1, Таким его выходе. Далее нулевой сигнал по- образом, блок 16 формирования запус- ступает на первый вход элемента 17 И и устанавливает последний в нулевое состояние по выходу. Выходная цепь элемента 17 И является выходом блока 30 транзистора 5,

16 и поэтому на входе силового тран- На этапе подключения входной об- зистора 5 отсутствует импульс запу- мотки 2 дросселя 1 к первичному ис- ска„точнику питания в ней линейно нарасЧерез небольшой интервал времени тает ток и пропорционально квадрату на выходе блока 15 временной задержки 35 тока запасается электромагнитнаяэнер- появляется нулевой сигнал. Этим сиг- гия. Одновременно на конденсаторе 10

кающих импульсов формирует узкий импульс тока, который заканчивается в момент полного открывания силового

налом закрывается вспомогательщ)1й транзисторный ключ 7, Одновременно нулевой сигнал с выхода блока 15 подается на вход инвертора 18, а с его 40 устройства соответствует, режим на,|Г

выхода единичный сигнал поступает на первый вход элемента 17 И, На выходе элемента 17 И появляется единичный сигнал, так как на его втором входе присутствует единичный сигнал с выхода нуль-органа 19, а на входе последнего - нулевой сигнал с выхода обмотки 4 обратной связи дросселя 1,

копления

Когда напряжение на конденсаторе 10 RC-цепочки 18 сравняется, а затем и превзойдет напряжение на средней 45 точке резистивного делителя 12-13, компаратор 11 переключится в состоя ние с нулевым сигналом на выходе. П появлении на входе блока 15 временн задержки сигнала нулевого уровня на

Когда напряжение на конденсаторе 10 RC-цепочки 18 сравняется, а затем и превзойдет напряжение на средней 45 точке резистивного делителя 12-13, компаратор 11 переключится в состояние с нулевым сигналом на выходе. При появлении на входе блока 15 временной задержки сигнала нулевого уровня на

Под действием единичного сигнала на

выходе блока 16 формирования запуска-50его выходе сразу появляется единичкщих импульсов в базовую цепь сщто-ный сигнал. Этим сигналом открываетвого транзистора 5 течет запускающийся вспомогательный транзисторный ключ

ток и последний открывается, В ре-7, его выходом шунтируется базовая

зультате к входной обмотке 2 дросселяцепь силового транзистора 5, и пос1 прикладывается постоянное входное 55ледний начинает форсированно закрынапряжение и ток в этой обмотке начи-ваться,

нает линейно возрастать. При этом Параметры RC-цепочки 8 выбраны

на обмотках выходной 3 и обратнойтаким образом, что за время нарастасвязи 4 наводится напряжение, про-ния напряжения на конденсаторе 10 до

порциональное входному в соответствии с выбранным коэффициентом трансформации. Напряжение, наведенное на выходной обмотке 3, имеет полярность, обратную проводимости силового выпрямителя 6 и не поступает на выход устройства.

Под действием напряжения, наведенного в обмотке 4 обратной связи дросселя 1, дозаряжается конденсатор фильтра выпрямителя 14, заряжается конденсатор 10 последовательной RC- цепочки 8, дополнительно подается ток в базовую цепь силового транзистора .5, а нуль-орган 19 переключается в нулевое состояние по выходу. На вы-

тора .5, а нуль-орган 19 переключается в нулевое состояние по выходу. На вы-

ходе логического элемента 17 И появляется нулевой сигнал и, соответственно, прекращается запускающий ток с выхода блока 16 формирования запускающих импульсов в базовую цепь силового транзистора 5, Однако последний продолжает надежно удерживаться в открытом состоянии сигналом с обмотки

4 обратной связи дросселя 1, Таким образом, блок 16 формирования запус- транзистора 5,

4 обратной связи дросселя 1, Таким образом, блок 16 формирования запус- транзистора 5,

кающих импульсов формирует узкий импульс тока, который заканчивается в момент полного открывания силового

RC-цепочки 8 линейно возрастает напряжение с темпом, определяе йп-5 параметрами этой цепи. Данному состоянию

,|Г

копления

Когда напряжение на конденсаторе 10 RC-цепочки 18 сравняется, а затем и превзойдет напряжение на средней точке резистивного делителя 12-13, компаратор 11 переключится в состояние с нулевым сигналом на выходе. При появлении на входе блока 15 временной задержки сигнала нулевого уровня на

момента переключения компаратора 11 ток во входной обмотке 2 не достигает значения насыщения для дросселя 1 и не превысит безопасное значение коллекторного тока силового транзистора 5.

При запирании силового транзистора 5 накопленная во входной обмотке 2 дросселя 1 энергия электромагнитного

НИН запускаюг их импульсов. Поэтому срабатывание временной задержки приполя передается через выходную обмот- Ю Кроме того, на выходе нуль-органа 19 ку 3 на выход устройства в виде им- появляется нулевой сигнал. Этим сиг- пульса тока через выпрямительный диод налом блокируется блок 16 формирова- в фильтруювщй конденсатор блока 6 и в нагрузку. При этом полярность напряжения на обмотках дросселя 1 меня-i5 водит только к запиранию вспомога- ет свой знак. Данному состоянию уст- тельного транзисторного ключа 7.

Переход к режиму накопления от режима потребления происходит в момент полного окончания передачи энергии из входной обмотки 2 дросселя 1 в цепь

ройства соответствует режим потреб,4

20

ления

В начальньй мдмент включения устройства конденсатор силовогофильтра в блоке 6 разряжен до нуля. Поэтому при переходе устройства в режим потребления выходная обмотка 3 дросселя 1 оказьшается закороченной на данньш конденсатор. В результате наведенное 25 ется единичный сигнал, под действием в обмотке обратной связи 4 напряжение которого формируется запускающий им- имеет малую величину и нуль-орган 19 переключается в единичное состояние по выходу, подготавливая блок 16 формирования запускающих импульсов к по- 30 следующему вклйчению.

Единичным сигналом с выхода блока 15 временной задержки надежно закрыт силовой транзистор 5 и блокирован

нагрузки. В этот момент наведенное в обмотках выходной 3 и обратной связи 4 напряжение становится равным нулю. На выходе нуль-органа 19 появляпульс на отпирание силового транзистора 5, переводящий устройство в режим накопления.

В момент установления на нагрузке преобразователя напряжения номинального напряжения вступает в работу блок 20 обрабной связи. При превьппеблок 16 запускающих импульсов, причем нии напряжения U. над номинальным

на выходе дифференциального усилиуеля блока 20 обратной связи появляется сигнал, который приоткрывает выходной транзистор оптопары. Транзистор опто- Q пары начинает шунтировать резистор 13. Напряжение на средней точке делителя 12-13 и соответственно на неинвертирующем входе компаратора 11 уменьшается. При этом переключение ства блока 16 формирования запускаю- компаратора 11 в нулевое состояние щих импульсов появляется единичный по выходу происходит при меньшем напряжении на конденсаторе 10 КС-цепочки 8. Это вызывает уменьшение времени открытого состояния силового транзис- cQ Тора 5 и уменьшение энергии, запасаемой в дросселе 1 в режиме накопления и отдаваемой в нагрузку в режиме потребления. В результате преобразователь напряжения переходит в устанопервый - по цепи через вспомогательный транзисторный ключ 7, а второй - через инвертор 18. На этом этапе ра- бяты устройства конденсатор 10 RC- цепочки 8 разряжается. Через определенное время единичный сигнал на выходе блока 15 временной задержки сменяется нулевым, вспомогательный ключ закрьшается, а на выходе устройригнал. Силовой транзистор 5 открывается, и вновь начинается режим накопления.

Режимы накопления и потребления периодически повторяются и через некоторое время силовой конденсатор в блоке 6 заряжается до уровня заданного значения выходного напряжения Ug; . При этом на обмотке обратной связи 4 дросселя 1 устанавливается номинальный уровень напряжения как в режиме накопления, так и в режиме потребления. Этим напряжением заряжается и

55

вившийся режим стабилизации выходного напряжения, при котором количество передаваемой с входа на выход энергии равно энергии, потребляемой в нагрузке.

разряжается конденсатор 10 RC-цепочки . 8., определяя величину порции энергии, накапливаемой в дросселе 1 и отдаваемой в нагрузку. На данном этапе работы устройства в режиме потребления на обмотке обратной связи Д дросселя t наводится напряжение отрицательной полярности, которым надежно запирается силовой транзистор 5 по цепи базы.

НИН запускаюг их импульсов. Поэтому срабатывание временной задержки приКроме того, на выходе нуль-органа 19 появляется нулевой сигнал. Этим сиг- налом блокируется блок 16 формирова- водит только к запиранию вспомога- тельного транзисторного ключа 7.

ется единичный сигнал, под действием которого формируется запускающий им-

нагрузки. В этот момент наведенное в обмотках выходной 3 и обратной связи 4 напряжение становится равным нулю. На выходе нуль-органа 19 появляется единичный сигнал, под действием которого формируется запускающий им-

пульс на отпирание силового транзистора 5, переводящий устройство в режим накопления.

В момент установления на нагрузке преобразователя напряжения номинального напряжения вступает в работу блок 20 обрабной связи. При превьппе

вившийся режим стабилизации выходного напряжения, при котором количество передаваемой с входа на выход энергии равно энергии, потребляемой в нагрузке.

Рассмотрим работу преобразователя напряжения при пульсирующей нагрузке

Предположим, что преобразователь напряжения работает с малым нагрузочным током 1 (см. Лиг. 2, а). В этом режиме частота и период Т переключений силового транзистора 5 в основном определяется длительностью временной задержки t, блока 15 и незначительно превышает частоту переклю- чений силового транзистора 5 при номинальном нагрузочном токе Во входной 2 и выходной 3 обмотках дросселя 1 протекают токи 1 (фиг.1, (5) и Ij (Аиг.2,Ь ), а на выходах бло- .ка 15 временной задержки и блока 16 формирования запускающих импульсов имеют место сигналы (фиг.2,г ) и Ui (фиг.2,(5 ). При наложении нагрузки на выходе преобразователя напр я--, жение несколько уменьшается. Блок 20 обратной связи реагирует на зто изменение пропорциональным уменьшением степени открывания выходного транзистора оптопары, соответственно увели- чивается напряжение на резисторе 13. В результате .практически без задержки преобразователь напряжения начинает передавать с входа на выход импульсы тока большей продолжительности ЗО ный резистор к эмиттер-базовому пере-и амплитуды и форсированно скомпенсирует увеличение нагрузки на выходе. При снятии нагрузки процесс происходит в обратном порядке и также практически без задержки. Таким образом, данный преобразователь напряжения обеспечивает уменьшенные пульсации в Uftb,x т.е. более качественную стабилизацию Ugbix при пульсирующей нагрузке.

Ограничение частоты переключений силового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе преобразователя напряжения позволяет существенно снизить динамические потери в силовом транзисторе 5 и повысить. КПД устройства. Кроме того, наличие временной задержки обеспечивает надежный запуск устройства при первоначальном включении, когда выходной фильтр , практически наглухо закорачивает выходную обмотку 3 дросселя 1 и обмотку 4 обратной связи в режиме потребления .

Введение в преобразователь напряжения блока 16 запускающих импульсов вместо применяющейся обычно резистивной цепи смещения также обеспечивает повышение КПД преобразователя напряжения за счет формирования узких (длительностью 5-15 мкс) импульсов отпирания силового транзистора 5.

Формула изобретения

t

1, Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, коллектор которого через входную обмотку накопительного дросселя соединен с клеммой для подключения потенциального вывода первичного источника питания, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала, силовой выпрямитель, вход которого соединен с выходной обмоткой накопительного дросселя, блок обратной связи, выполненный по схеме дифференциального усилителя с оптрон- ным выходом, и силовой фильтр, входы которых подключены к выходу силового выпрямителя, соединенному с клеммами для подключения нагрузки, вспомогательный блок выпрямления и сглаживания, вход которого соединен с обмоткой обратной связи накопительного , дросселя, подключенной через балласт5

0

ходу силового транзистора, последовательную RC-цепочку, включенную параллельно обмотке обратной связи накопительного дросселя, вспомогательный транзисторный ключ, включенный параллельно эмиттер-базовому переходу силового транзистора, блок первоначального запуска, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и качества cтaбиJJИзaции выходного напряжения при пульсирующей нагрузке, в него введены компаратор, резистивный делитель напряжения, блок временной задержки и блок формирова5 ния зaпvcкaющиx импульсов, причем вход резистивного делителя напряжения подключен к выходу вспомогательного блока вьтрямления и сглаживания, а выход - к одному из входов компаQ ратора, другой вход компаратора соединен с выводами конденсатора последовательной RC-цепочки, а выход через блок временной задержки - с цепью управления вспомогательного транзисторс ного ключа, выход блока обратной связи включен параллельно выходу резистивного делителя напряжения, между входным потенциальным выводом которого и клеммой для подключения потенциального вывода первичного источника, питания включен блок первоначальнсго запуска, первый вход блока формирования запускающих импульсов соединен с выводами обмотки обратной связи на- 5 копительного дросселя, второй вход - с выходом блока временной задержки, а выход - с цепью управления силового транзистора.

Редактор А.Долинич

Составитель Л.Морозов

Техред а.Кадар Корректор А.Обручар

Заказ 7455/55Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

10

Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что блок формирования запускающих импульсов содержит злемент И, выход которого является выходом блока, нуль-орган и инвертор, выходы которых подключены к входам элемента И, а выходы являются соответственно первым и вторым входами блока.

Фifг.2

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение КПД и качества стабилизации выходного напряжения. Введение в схему компаратора 11, делителя напряжения на резисторах 12 и 13, блока 15 временной задержки и блока 16 формирования запускающих импульсов позволяет ограничить частоту переключений силового транзистора 5 при малых нагрузках на выходе. Поэтому динамические потери в транзисторе 5 снижаются, а КПД устройства повы-. шается. Введение блока 16 также повышает КПД устройства за счет формирования узких импульсов отпирания транзистора 5. Качество стабилизации обеспечивается уменьшением выходных пульсаций. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. § (Л 2г 0ю сх 00 со о Од