Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1988 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является упрощение при одновременном повышении качества стабилизации выходного напряжения. При включенном регулирующем ключе 12 напряжение входного источника прикладывается к входному дросселю 3, а обмотка 5 трансформатора 4 подсоединяется к разделительному конденсатору 7. На интервале паузы ток-дросселя 3 проникает через последовательно соединенные вспомогательные конденсатор 14 и ключ 16, а также первичную обмотку 5 трансформатора 4 и разделительный конденсатор 7. Время включенного состояния регулирующего транзистора 12 зависит от скорости заряда конденсатора 19. Уровень заряда конденсатора 19 фиксируется пороговым элементом, который после срабатьшания обеспечивает разряд времязадающего конденсатора 19 через последовательно включенные диод 21 и резистор 20. Скорость заряда конденсатора 19 может изменяться дополнительным источником тока, например, в функции изменения напряжения на нагрузке 11 или тока регулирующего ключа 12, что дополнительно обеспечивает защиту от перегрузки и позволяет обеспечить параллельное включение устройств. 5 з.п.ф-лы, 6 ил. с S (Л

F

/J

- а

It

н;

2i

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразойа- телям напряжения, позволяющим получить в нагрузке гальванически отделенное трансформатором от цепи входного источника стабильное постоянное напряжение.

Целью изобретения является упроще ние при одновременном повышении каче ства стабилизации выходного напряжения .

На фиг.1 приведена схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения; на фиг.2 - схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с расширенным диапазоном изменения входного напряжения; на фиг.З - схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с улучшенной стабильностью выходного напряжения; на фиг.4 - схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с улучшенными пусковыми характеристиками, на фиг. 5 - схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с защитой от перегрузки по току; на фиг.6 - схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с повьш1енны- ми КПД и надежностью.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения содержит первую 1 и вторую 2 входные шины для подключения соответственно положительного и отрицательного полюсов источника входного напряжения, входной дроссель 3, трансформатор 4,первичную 5, вторичную 6 обмотки трансформатора, разделительный кон- 7, выпрямитель 8, дроссель 9 фильтра, конденсатор 10 фильтра, нагрузку 11, регулирующий ключ 12 в виде биполярного п-р-п транзистора, обратный диод 13, вспомогательный конденсатор 14, блокирующий диод 15, вспомогательный ключ 16 в виде биполярного р-п-р транзистора, пороговый элемент 17, Имеющий гистерезис передаточной характеристики с инверсным входом и выходом, первую согласующую цепь 18, имеющую вход и два выхода, времяза- дающий конденсатор 19,разрядные резистор 20 и диод 21, дополнительно введенные диоды 22 и 23, управляемый напряжением токозадающий двухполюсник 24 в виде резистора, дополнительный источник 25 постоянного тока, фотоприемник 26 и светодиод 27 с диодного оптрона, ограничивающий резистор 28, вторую согласующую цепь 29, усилитель 30 обратной связи, имеющий прямой и инверсный входы, источник 31 опорного напряжения, 10 вспомогательный диод 32, вспомогательный управляемый напряжением токозадающий двухполюсник 33 резистора, датчик 34 тока, элемент 35 сравнения, ключевой источник 36 15 тока с управляющим входом, коммутационный конденсатор 37, коммутационный индуктивный элемент 38, первый 39 и второй 40 коммутационные диоды.

20 На фиг.1 между ошнами 1 и 2 включены последовательно входной дроссель 3, первичная обмотка 5 трансформатора 4 и разделительный конденсатор 7. Вторичная обмотка 6 транс- 25 форматора 4 подключена к входным

выводам выпрямителя 8. Между гтоложи- тельным и отрицательным выходными выводами выпрямителя 8 включены последовательно дроссель 9 и конденса- 30 тор 10 фильтра, параллельно с которым включена- нагрузка 11 . Между точкой соединения входного дросселя 3 с обмоткой 5 и шиной 2 включен регулирующий ключ 12 в виде биполярного J5 п-р-п транзистора, эмиттер которого связан с шиной 2. Между коллектором и эмиттером ключа 12 включен- об- ратньй диод 13 и последовательно соединенные вспомогательный конденса- 0 тор 14 и блокирующий диод 15, шунтированный вспомогательным ключом 16 в виде биполярного р-п-р транзистора, причем с эмиттером ключа 12 связаны анод диода 13, катод диода 15 5 и эмиттер транзистора 16.

К выходу порогового элемента 17 подключен вход первой согласующей цепи 18, два выхода которой соединены с базами ключей 12 и 13. Между Q инверсным входом порогового элемента 17 и шиной 2 включен времязадаю- - щий конденсатор. Между входом и выходом порогового элемента 17 включены две; последовательные цепи: одна о6- 5 разована последовательно соединенными разрядными диодом 21 и резистором 20, а вторая - встречно включенными дополнительно введенными диодами 22 и 23, причем с входом порогового элемента ного диода 21

10

15

313,72532

17 связаны анод разряд- и катод диода 22, а к выходу порогового элемента 17 подключен катод диода 23. Точка соединения диодов 22 и 23 через управляемый токозадающий двухполюсник в виде резистора 24 соединена с шиной 1.

На фиг.2 между точкой соединения диодов 22 и 23 к шиной 2 включен источник 25 постоянного тока, причем ток указанного источника вытекает из точки соединения диодов 22 и 23.

На фиг.З источник постоянного тока выполнен в виде фотоприемника 26 диодного оптрона так, что анод фотоприемника 26 подключен к шине 2. Светодиод 27 диодного оптрона соединен последовательно с ограничиваюп м резистором 28,а указанная последовательная цепь включена между выходом второй согласующей цепи 29 и отрицательным выводом выпрямителя 8.Вход со-- гласукидей цепи 29 связан с выходом усилителя 30 обратной связи,инверсный / 25 вход которого подключен к точке соединения дросселя 9 фильтра, конденсатор 10 фильтра и нагрузки 11. Прямой вход усилителя 30 подключен к положительному полюсу источника 31 опорного напряжения, отрицательный полюс которого связан с отрицательным вьшодом ьыпрямитепя 8.

На фиг.4 катод фотоприемника 26 иодного оптрона подключен к точке оединения диодов 22 и 23 через вспоогательный диод 32, связанный с указанной точкой своим катодом, а анод иода 32 через вспомогательный управяемый напряжением токозадающий двух- дд олюсник 33 в виде резистора связан с шиной 1.

На фиг.5 между эмиттером регулируюего ключа 12 и шиной 2 включен датик 34 тока, выход которого подклюен к входу элемента 35 сравнения. Выход элемента 35 сравнения связан с правляющим входом ключевого источника 36 тока, подключенного паралельно с резистором 24.

На фиг. 6 между шиной 2 и точкой соединения первичной обмотки 5 с разделительным конденсатором 7 вклюены последовательно первый коммутационный диод 39, коммутационный ндуктивный элемент 38 и второй ком- утационный диод 40, причем анод диоа 39 связан с шиной 2, а катод диоа 40 - с обкладкой конденсатора 7.

Ме го то ко

по ду

ны си вк ра кл де ст то ме се 20 На ид ва

гд

30

45

50

55

гд

35

ст ба им ра ег

на та вк ча дя мя ся по не

по до

0

5

5

Между точкой соединения индуктивного элемента 38 с диодом 40 и коллектором регулирующего ключа 12 включен коммутационный конденсатор 37.

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Регулирующий 12 и вспомогательный 16 ключи устройства работают синхронно и противофазно так, что во включенном состоянии ключа 12 ключ 16 разомкнут. В выключенном состоянии ключа 12 через вспомогательный конденсатор 14 замыкается ток, пред- ставляюш «й собой разность пульсаций токов намагничивания индуктивных элементов: входного дросселя 3, дросселя 9 фильтра и трансформатора 14. 0 Напрязчение на нагрузке U в случае идеальности элементов преобразователя описывается выражением

и, 2пЕу ,

где п - коэффициент трансформации

трансформатора 4i Е - величина входного напряжения;

У - коэффициент заполнения,определяемый соотношением

у (t, + -t),

где t.

Чсоответственно длительности включенного и выключенного состояний регулирующего ключа 12, называемые в дальнейшем длительностью импульса и паузы.

Обозначим через Ug и U соответственно верхний и нижний пороги срабатывания порогового .элемента 17, имеющего гистерезис передаточной характеристики. Если напряжение Ugx на его инверсном входе меньше U, то

0

5

на выходе порогового элемента 17 устанавливается сигнал, приводящий к включению ключа 12 и вьжлючению ключа 16. При этом диоды 21 и 23 находятся под дбратным смещением и вре- мязадающий конденсатор 19 заряжается через диод 22 током, протекающим по резистору 24, подключенному к шине 1 .

Заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 19 не достигнет величины Uj. В этот момент

I

времени пороговый элемент 17 переключается в противоположное состояние, в котором регулирующий ключ 12 выключается, а ключ 16 включается. При этом открывается диод 23 и ток резистора 24 начинает замыкаться через выходную цепь порогового элемента, диод 22 закрывается, а конденсатор 19 начинает разряжаться через разрядные резистор 20 и диод 21. Разряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 19 не уменьшится до нижнего порогового напряжения Uj,.B этот момент пороговый элемент 17 вновь переключается в положение,при котором ре- гулируюпщй ключ 12 включается .Далее процессы повторяются. Таким образом время заряда конденсатора 19 определяет длительность импульса, а время разряда - длительность паузы. Посколь ку при изменениях величины входного напряжения Е изменяется и ток заряда конденсатора 19, определяемый сопротивлением резистора 24 R24 то изменяется ty,. Длительность паузы tp притом постоянна, так как разряд конденсатора 19 осуществляется через постоянное сопротивление резистора 20 Таким образом изменяется коэффициент заполнения у и осуществляется стабилизация напряжения на нагрузке U .

Определим связь параметров цепи управления с величиной входного напряжения, считая, что t const, Ug- и„ MJ Е и предполагая, что постоянная времени заряда конденсатора 19 С С , Rj существенно больше длительности импульса t. Если обозначить среднее значение напряжения на конденсаторе 19 через со (Uj-t- и,,)/2, то ток заряда конденсатора 19 для принятых допущений можно определить величиной Ij (со 24 При этом длительность импульса определяется соотношением t CuU/Ig . Подставим найденное значение ty, в выражение, определяющее величину напряжения на нагрузке. Дифференцируя полученное соотношение по Е, найдем что 3U(,/3E пропорционально коэффициенту А 1 - ()/( 6.uU) . Если вьтолнить равенство , то приведенный на фиг.1 стабилизированный преобразователь постоянного напряжения будет обеспечивать бесконечно большой коэффициент стабилизации при изменении входного напряжения Е, а величина напряжения на нагрузке бу725326

дет определяться тождественными равенствами UQ 2пС„ R jди/t 2nUco .

При этом зарядная цепь непосред- с ственно и мгновенно реагирует на изменения входного напряжения, что повышает качество стабилизации выходного напряжения. В случае иных конкретных реализаций управляемый напряжени- 0 ем токозадающий двухполюсник, роль которого здесь играет резистор 24, должен формировать ток заряда конденсатора 19, зависящий от входного напряжения по закону I (Е-Е)/R.,jg, 15 где EQ const, а некоторое эквивалентное сопротивление.

Из указанного следует, что для обеспечения качественной стабилизации напряжения на нагрузке необходи- 0 МО вьтолнить равенство А О, что приводит к однозначной взаимосвязи между параметрами, характеризующими работу силовой част;и преобразователя и схемы управления, обеспечиваю- 5 щей стабилизацию выходного напряжения. В частности, при выбранном значении ,которое нецелесообразно делать очень большим так же как и величину. MJe , и заданном напряжении на 0 нагрузке UQ однозначно определяется коэффициент .трансформации п.

С другой стороны, коэффициент трансформации может и должен выбираться из соображений, обеспечивающих 1 минимальные габаритные размеры реактивных компонентов преобразователя. В частности, рассматриваемый преобразователь при заданных U и диапазо- не изменения входного напряжения от 0 Е.д,„ до , имеет минимальные габаритные размеры, если ( + 1 ,(.)/2.Поэтому преобразователь на фиг.1 имеет ограниченный диапазон выходных напряжений, для которых мож- 5 но получить высокое качество стабилизации.

Для расширения диапазона выходных напряжений в преобразователь, представленный на фиг.2, введен дополни- 0 тельный источник 26 постоянного тока. Обозначим ток источника 26 через 1. Так как ток 1 имеет направление, противоположное току, протекающему через резистор 24, то для 5 принятых нами допущений ток заряда конденсатора 19 можно определить выражением 1с (Е-1„ .Анализируя работу преобразователя так, как 5то быпо сделано, приходим к

выводу, что бесконечно большой коэффициент стабилизации по входному напряжению ) достигается здесь, если выполняется соотношение п(со- 1о 24 /С,,К,,ли 1. При этом напряжение на нагрузке определяется тождественными равенствами

2nC,,

2n(U

со

р +1йКг).Ана

лизируя полученные равенства, можно заключить, что в рассмотренном преобразователе коэффициент трансформаций п быть выбран независимо, а его величина будет определять,при прочих выбранных параметрах, величину тока Ij,. При этом расширяется диапазон выходных напряжений, для которых осуществляется практически идеальная стабильность выходного напряжения при изменениях входного напряжения .

Рассмотренный преобразователь обеспечивает качественную стабилизацию выходного напряжения, непосредственно реагируя на возмущения вход- ного напряжения. Однако любые неконтролируемые изменения параметров, характеризующих его работу, приводят к изменению выходного напряжения.При изменениях тока нагрузки изменения вькодного напряжения здесь определяются выходным сопротивлением. Для уменьшения нестабильности выходного напряжения, обусловленной описанными факторами, в преобразователе, представленном на фиг.З, дополнительный источник постоянного тока вьтолнен управляемым, причем сигнал управления определяется выходным напряжение усилителя обратной связи.

На фиг.З Б качестве источника постоянного тока использован фотоприемник 26 диодного оптрона, светоди- од 2,7 которого через ограничивающий резистор 28 и согласующую цепь 29 подключен к выходу усилителя 30 обратной связи, неинвертируюпщй вход которого подключен к источнику 31 опорного напряжения. Принцип работы преобразователя сводится к следующему. При любых изменениях выходного напряжения, в независимости от причин, вызвавших эти изменения, изменяется выходное напряжение усилите

ля 30 и, следовательно, ток, протекающий через светодиод 27. Последнее приводит к изменению тока заряда конденсатора 19 и длительности импульса.

45

Следует отметить, что поскольку ток заряда конденсатора 19 здесь определяется аналогично с преобразователем на фиг.2, то при возмущениях входного напряжения рассмотренные преобразователи ведут себя идентично.

При первоначальном включении преобразователя напряжение нагрузки равно нулю и лишь постепенно достигает установившегося значения. Если выходное напряжение мало, то вследствие действия усилителя 30 обратной связи ток, протекающий через свето- диод 27 оптрона, а значит, и ток фотоприемника 26 могут быть существенно большими, чем в установившемся режиме работы.

Если указанный ток превышает величину тока, протекающего по резистору 24, то после очередного включения силового транзистора 12, происходящего вследствие установления высокого потенциала на выходе порогового элемента 17, конденсатор 19 будет заряжаться только токами утечки диодов 23 и 21. Таким образом, регули- РУЮ1ЦИЙ ключ 12 остается включенным на неопределенно долгое время, что

5 д

5

может привести к резкому увеличению токов, обусловленному насьш1ением магнитных элементов, и выходу ключа 12 из строя. Для устранения этого явления необходимо ограничить максимальную длительность импульса. В преобразователе, представленном на фиг.4, это достигается подключением источника постоянного тока в виде фотодиода 26 оптрона через вспомогательный диод 32 и введением дополнительного управляемого напряжением токо- задающего двухполюсника в виде резистора 33. При этом в установившемся 5 режиме работы ток фотоприемника 26 имеет такую величину, что диод 32 на ходится под прямым смещением и преобразователь работает так, как описано. Отличие состоит в том, что в выражениях, описывающих работу преобразователя, вместо величины сопротивления резистора 24 необходимо использовать значение сопротивления параллельно включенных резисторов 24 и 33. В режиме первоначального включения увеличение тока фотоприемника 26 может привести к запиранию диода 32 Однако в этом случае времязадающий конденсатор 19 будет заряжаться че0

91

рез резистор 2А. Величину его сопротивления следует выбрать так, чтобы длительность импульса незначительно (на 10-20%) превьпиала величину мак- симальной длительности импульса, которая может быть определена из. вьфа- жения регулировочной характеристики преобразователя.

Для защиты регулирующих ключей преобразователей необходимо не только ограничивать ток ключа, если ток нагрузки превьшает некоторую коми- . нальную величину, но и уменьшить

коэффициент заполнения. При постоян- 15 обкладки равен Е, так как напряжение

ной длительности паузы осуществить это возможно только путем увеличения тока заряда конденсатора 19. С этой целью в преобразователе на

на разделительном конденсаторе 7 рав но входному. Таким образом, напряжение на конденсаторе 37 определяется разностью E./d-J ) /(1-J ),

фиг.5 последовательно с регулирующим 20 причем обкладка, связанная с ключом.

положительна.

Включение регулирующего ключа 12 приводит к запиранию диода 40 и отпиранию диода 39. При этом через

ключом 12 установлен датчик ЗА мгновенных значений тока, сигнал с выхода которого поступает на вход элемента 35 сравнения. Если этот сигнал превышает некоторую наперед заданную 25 включившийся ключ происходит коле- величину, то на выходе элемента 35 батальный перезаряд конденсатора 37,

который вследствие наличия диода 39 продолжается половину периода собственных колебаний контура.

30

сравнения возникает сигнал, приводящий к включению ключевого источника 36 тока. Последний должен обеспечивать резкое по сравнению с нор- мальньм режимом работы увеличение тока заряда конденсатора 19. При этом переход порогового элемента 17 в состояние, соответствующее выключению ключа 12, осуществляется при заданном изменении напряжения на конденсаторе. Последнее обстоятельство гарантирует, что длительность паузы остается неизменной и следовательно, уменьшается коэффициент заполнения. Так как датчик 34 тока реагирует на мгновенные значения тока через ключ 12, а последний имеет как постоянную составляющую, пропорциональную току нагрузки, так и линейно нарастающую составляющую, обусловленную наличием магнитных элементов, то при Постоянной уставке элемента 35 сравнения и увеличении тока нагрузки сверх номинальной величины преобразователь перейдет из режима стабилизации выходного напряжения в режим токоограничения, характеризуемый большим выходным сопротивлением. Подобные внешние характеристики позволяют осуществлять наращивание мощности в нагрузке путем простого параллельного соединения преобразователей на общую выходную шину без

35

40

45

50

55

После завершения указанного процесса напряжение на конденсаторе 37 изменяет знак на противоположный. При очередном выключении ключа 12 вследствие индуктивного характера нагрузки открывается диод 40 и напряжение на ключе определяется разностью напряжений на конденсаторах 7 . Величина его UK в начальный момент времени равна Е( 1-2 J ) /(1-у) . Рассмотрим различные случаи.Если J 0,5, то и 0. Поэтому формирование фронта спада тока ключа 12 осуществляется при низком напряжении и, скорость изменения которого определяется величиной емкости кон-: денсатора 37. Если J 0,5, то Е f/() Е. Последнее неравенство означает, что при включении ключа 12 в процессе колебательного перезаряда конденсатора 37 напряжение на его обкладке, связанной с диодом 40, превысит напряжение на конденсаторе 7. Это приведет к отпиранию диода 40 и последующему уменьшению тока через индуктивный элемент по линейному закону под действием напряжения на конденсаторе 7. После выключения ключа в первый момент времени

и.

О и формирование фронта спада

10

применения специальных мер распределения токов по отдельно взятым преобразователям.

На фиг.6 представлен преобразователь, в котором осуществлено уменьшение коммутационных потерь при выключении регулирующего ключа 12. Суть его работы состоит в следующем. В выключенном состоянии регулирующего ключа 12 потенциал обкладки коммутирующего конденсатора 37, связаной с ключом 12, определяется соотношением E/(1-J),a потенциал второй

обкладки равен Е, так как напряжение

на разделительном конденсаторе 7 равно входному. Таким образом, напряжение на конденсаторе 37 определяется разностью E./d-J ) /(1-J ),

причем обкладка, связанная с ключом.

положительна.

Включение регулирующего ключа 12 приводит к запиранию диода 40 и отпиранию диода 39. При этом через

включившийся ключ происходит коле- батальный перезаряд конденсатора 37,

После завершения указанного процесса напряжение на конденсаторе 37 изменяет знак на противоположный. При очередном выключении ключа 12 вследствие индуктивного характера нагрузки открывается диод 40 и напряжение на ключе определяется разностью напряжений на конденсаторах 7 . Величина его UK в начальный момент времени равна Е( 1-2 J ) /(1-у) . Рассмотрим различные случаи.Если J 0,5, то и 0. Поэтому формирование фронта спада тока ключа 12 осуществляется при низком напряжении и, скорость изменения которого определяется величиной емкости кон-: денсатора 37. Если J 0,5, то Е f/() Е. Последнее неравенство означает, что при включении ключа 12 в процессе колебательного перезаряда конденсатора 37 напряжение на его обкладке, связанной с диодом 40, превысит напряжение на конденсаторе 7. Это приведет к отпиранию диода 40 и последующему уменьшению тока через индуктивный элемент по линейному закону под действием напряжения на конденсаторе 7. После выключения ключа в первый момент времени

и.

О и формирование фронта спада

тока ключа происходит аналогично случаю у 0,5. Если jf «: 0,5, то . Более детальный анализ работы преобразователя позволяет найти максимальную величину скачка U при заданном диапазоне изменения входного напряжения и постоянном напряжении на нагрузке.

Формула изобретения

л И чающийся тем, что, с .Делью упрощения при одновременном повышении качества стабилизации выходнго напряжения, пороговый элемент имеет гистерезис передаточной характе- ристики, токозадающий двухполюсник включен между первой пшной и точкой соединения одноименных электродов двух дополнительно введенных диодов, вторые электроды которьгх соединены соответственно с инверсным входом и выходом порогового элемента, а последовательно соединенные разрядные резистор и диод включены между инверсным входом и выходом порогового элемента.

жений,к точке соединения управляемого напряжением токозадающего двухполюсника и одноименных электродов двух дополнительно введенных диодов подключен один вывод дополнительного источника постоянного тока, другой вывод которого подключен к второй входной пшне, причем направления токов упомянутых токозадающего двухполюсника и источника постоянного тока противоположны.

тельный источник постоянного тока имеет управляющий ввод, связанный через дополнительно введенную вторую согласующую цепь с выходом усилите5 ля обратной связи, о .Q

5

j

0

5

г5

17

18

-К 21 J i

ft

16

1

4h

« +

Ч-А

Nj

ID