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

(61) 1283906

(21)4234320/2 -07

(22)24.04.87

(46) 23.12.88. Бил. 1 47

(71)Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения

(72)В.М.Пииенов и К.Г.Лакирович

(53)621.316.722.Г(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1283906, кл. Н 02 М 3/335, 1987.

(54)СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57)Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного питания. Целью изобретения является снижение уровня пульсаций выходного напряжения путем уменьшения переменной составляющей тока на выходе Устройство содержит основной и дополнительный преобразователи напряжения на транзисторах 5

и 29 и накопительных дросселях 1

и 25, выходные обмотки 3 и 27 кото- рых через выпрямители 6 и 30 подклю-- чены к выходным выводам 23 и 24, Коллектор силового транзистора 5 связан с базой силового транзистора 29 через последовательно соединенные блоки формирования времеиного интервала 35 и формирования запуска- ЮЕШХ импульсов 32. Связь между сило- выьш транзисторами 5 и 29 осуществлена так, что циклы работы второго преобразователя сдвинуты на такт относительно циклов работы первого (когда первый накапливает энергию, второй сбрасывает энергию в нагрузку, и наоборот). При этом ток на выходе имеет предельно-непрерывную форму, амплитуда импульсов тока снижается в два раза, а их частота увачичивается вдвое, что в четыре раза снижает уровень пульсаций выходного напряжения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

(Л

а

Од

«

00

ГЧ)

1U46678

/Изобретение относится к электроехнике, в частности к источникам

20

25

торичного питания, и является усоершенствованием нзобретймкл по вт.св. If 1283906,

Цель изобретения - снижение уровя пульсаций выходного напряжения утем уменьшения переменной составяющей тока на выходе.

На чертеже представлена электическая схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.

Стабилизированный преобразователь |5 состоит из основного преобразователя, содержащего накопительный дроссель 1 с обмотками входной 2, выходной 3 и обратной 4 связи, силовой транзистор 5, силовые выпрямитель и фильтр, условно объединенные в блоке 6, вспомогательт ый транзисторный ключ 7, последовательную КС-цепочку 8 с резистором 9 и конденсате- ром 10, компаратор 11, делитель нап- ряже1шя с резисторами 12 и 13 вспомогательный блок 14 выпрямления и сглаташания, блок 15 временной держки, блок 16 запускающих импульсов с двухвходовым элементом 2И 17, зО инвертором 18 и нуль-органом 19, блок 20 обратной связи, выполненный по схеме дифференциального усилителя с оптронным выходом, блок 21 перво- начального запуска. Схема содержит клемму 22 для под ключетшя потенциального вывода первичного источника питания, а также клеммьт 23 и 24 для подключегшя нагрузки.

Коллектор силового транзистора „ 5 через входную обмотку 2 накопительного дросселя 1 соединен с клеммой 22, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала Блок 6 с силовым выпрямителем и фильтром В1шючеид

между выходной обмоткой 3 накопительного дросселя 1 и клеммами 23 и 24. К выходу блока 6 подключен вход блока обратной связи. Вход вспомогательного блока 14 выпрямпения и сглаживания соединен с обмоткой 4 обратной связи накопительного дросселя 1, подключенного через балластный резистор (не показан) к эмиттер-базо вому переходу силового транзистора 5,

Последовательная RC-цепочка 8 включена параллельно обмотке 4 обратной связи накопительного дросселя I, Вспомогательный транзисторный

кл в н и

0

25

Q

5 зО

„ д

,

ключ 7 включен параллельно эмиттер- базовому переходу силового транзистора 5. Вход резистивного делитапя 12,13 напряжения гопкгю ген к ыходу вспомогательного элока 4 выпрямления и сглаживания, а выход - к одному из входов компаратора 11. Другой вход компаратог : Г соединен с . выводами У нденс--л-.м--; r ocdадова- тельной RC-цепочки 8, а его выход через блок 15 временной задержки - с цепью управления вспомогательного транзисторного ключа 7. Выход блока 20 обратной связи включен параплель- но резистору 13 делителя 12,13 нап ряжения. Блок 21 первоначального запуска включен между клеммой 22 и выходом вспомогательного блока 14 выпрямления и сглаживания. Первый вход блока 16 формирования запускающих импульсов (вход нуль-органа 19) соединен с выводами обмотки 4 обратной связи накопительного дросселя 1, второй вход (вход инвертора 1В) - с выходом блока 15 временной задержки, а выход (выход элемента 2И 17)- с цепью управления силового транзистора 5. В блоке 16 формирования запускающих импульсоз выходы нуль- органа 19 и инвертора 18 подключены к входам элемента 2И 17,

Кроме того, имеется дополнительный преобразователь, содержащий на- копительньй дроссель 25 с обмотками входной 26, выходной 27 и обратной связи 28, силовой транзистор 29, силовой выпрямитель 30, вспомогатель- ньм транзисторный ключ 31, блок 32 формирования запускающих импульсов с двухвходовым элементом 2И 33 и нуль-органом 34 и блок 35 формирования временного интервала.

Коллектор силового транзистора 29 через входную обмотку 26 соединен с клеммой 22, а эмиттер подключен к шине нулевого потенциала.

Силовой выпрямитель включен между выходной обмоткой 27 накопительного дросселя 25 и клеммами 23 и 24„ Обмотка 28 обратной связи накопительного дросселя 25 подключена через балластный резистор (не показан) к эмиттер-базовому переходу силового транзистора 29. Вспомогательный транзисторный ключ 31 вьлючеи паралллель- но эмиттер-базовому переходу силового транзистора 29.

Первый вход блока 32 запускающих импульсов (вход нуль-органа 34) соединен- с выводам 1 обмотки 28 обратной связи накопительного дросселя 25, а выход (выход элемента 2И с цепью управления силового транзис-. тора 29. В блоке 32 формирования эа- пускаюших импульсов выход нуль-органа ЗА подключен к одному из входов элемента И 33.

Блок 35 формирования временного интервала содержит первый 36 и второй 37 транзисторы, резисторы 38-40, конденсатор 41 и резистивный делитель 6 с резисторами 42 и 43, Коллектор первого транзистора 36 через резистор 38, .а также база и коллекто второго транзистора .37 соответственно через резисторы 39 и 40 подключены к выходу вспомогательного блока 14 выпрямления и сглаживания первого ПН. Конденсатор 41 включен между коллектором первого транзистора 36 и базой второго транзистора 37, Резисг тивный делитель, состоящий из резисторов 42 и 43, подключен параллелы но коллектор-эмиттер.ному переходу силового транзистора 5 первого ПН,

. Вход блока 35 (базовый вывод первого транзистора 36) соединен со средней точкой делителя из резисторов 42 и 43. Первый выход блока 35 (коллектор.транзистора 37 ) соединен с одним из входов злементэ 2И 33 блока 32 формирования запускающих импульсов. Второй выход (эмиттер транзистора 37) подсоединен к цепи управления вспомогательного транзисторного ключа 31. Эмиттер транзистора 36 подключен к шине нулевого потенциала.

Работу преобразователя рассмотрим для установившегося режима, когда на его выходе (клеммы 23 и 24) поддерживается определенное напряжение и подключена нагрузка. При этом будем считать, что с помощью блока 21 первоначального запуска осуществлен запуск преобразователя и питание элементов преобразователя осуществляется с выхода вспомогательного блока 14 выпрямления и, сглаживания.

Вначале рассмотрим работу основного преобразователя с момента запирания силового транзистора 5. Принятому состоянию силового транзистора 5 соответствуют следующие состояния

5

управпяютих цепей. Напряжение на конденсаторе 10 выше напряжения на резисторе 13. Компаратор 11 находится в состоянии с нулевым выходг.пям напряжением. Fla выходе блока 15 временной задержки присутствует единичг ный сигнал, а на выходе блока 16 формирования запускающих импульсов - нулевой сигнал. Вспомогательный транзистор 7 открыт. Здесь и далее по тексту сигнал высокого уровня на входе или выходе элемента схемы управления считается.единичным, а сигнал низкого уровня - нулевым.

При запирании силового транзистора напряжение на обмотках накопительного дросселя изменяет свою полярность. Поэтому с выходной обмотки 3 Q трансформируется импУльс тока в цепь нагрузки через выпрямитель 6, Одно- . временно напряжением отрицательной полярности с обмоткой 4 обратной связи разряжается кoндeнcatop 10 и на- 5 дежно удерживается в за:крытом состоянии силовой транзистор. При снижении напряжения на конденсаторе 10 до величины, несколько меньшей напряжения на резисторе 13, переключается компаратор 1I в единичное состояние по выходу и запускается блок 15 временной задержки.

Через промежуток времени задержки ,uti на выходе блока 15 временной задер)ски появляется нулевой сигнал. Этим сигналом закрывается вспомогательный транзисторный ключ 7, Однаг ко.силовой транзистор 5 продолжает удерживаться в закрытом состоянии Q отрицательным напряжением, наведент. ним в обмотке 4 обратной связи накопительного дросселя 1, Этим напряжением Н1 ль-орган 19 удерживается в нулевом состоянии по выходу и на выходе элемента 2И 17 присутствует нулевой сигнал.

Нуль-орган 19 формирует единичный сигнал на выходе при наличии нулевого входного сигнала и нулевой «а выходе при любой полярности входного,

В момент времени, когда заканчивается сброс тока с выходной обмотки 3 накопительного дросселя I в нагрузку и напряжение, наведенное в обмотках выходной 3 и обратной 4 связи, становится равным нулю, на выходе нуль-органа 19 появляется единичный сигнал, под действием которого на выходе блока 16 формирова0

5

5

0.

5

ПИЯ яаггускя101чих импульсов появляетс единичный сигнап. В базовую цепь силового транзистора 5 подается запускающий импульс тока и послед1шй открывается. В результате к входной обмотке 2 дросселя 1 прикладывается постоянное входное напряжение н ток в этой обмотке начинает линейно нарастать, и соответственно запасаеся энергия электромагнитного поля.

Под действием напряжения, наведенного в обмотку 4 обратной связи дросселя 1, заряжается конденсатор 10 последовательной RS-цепочки, а нуль-орган 19 переключается в ну- лейое состояние по выходу, снимая запускаюрий импульс тока. Силовой транзистор 5 удерживается в открытом СОСТОЯШ1И положительным напряжением с обмотки 4 обратной связи.

Когда напряжение на конденсаторе 10 КС-цепочки 8 сравняется, а затем превзойдет напряжегше на резисторе 13, компаратор 11 Аерёключается в состоягше с нулевым сигналом на выходе. Одновременно переключается в единичное состояние по выходу блок времензюй задержки. Единичным сигналом с. выхода блока временной задержки открывается вспомогательный транзистор 7 и соответственно закрывается силовой транзистор, При этом накопленная за время заряда конденсатора 10 энергия электромаг-: китного поля во входной обмотке 2 передается через выходную обмотку 3 на выход устройства в виде импульса тока, имеющего форму прямоугольного треугольника. Далее процессы . повторяются в указанной последова- тепьности. Для оптимального соотношения параметров силовой части преобразователя длительность накопления тока в входной обмотке равна длительности передачи импульса тока в цепь нагрузки.

Теперь рассмотрим работу дополнительного преобразователя, управляемого сигналами блока 35 в зависимости от работы основного преобразователя.

Когда открывается силовой транзистор 5 основного преобразователя, напряжение на переходе коллектор - эмиттер становится равным нулю. Этим нулевым сигналом через резнстивный делитель 42, 43 напряжения надежно закрывается транзистор 36 линии

35 задержки. Через резистор 38 блока 35 происходит заряд конденсатора 41 и открывается транзистор 3/. То- g ком, протекаюпшм через резистор 40 и транзистор 37 линии задержки, открывается вспомогательный ключ 3, шунтируя своим выходом база-эмиттерный переход силового транзистора 29, на6 дежно запирая последний. Одновременно нулевым сигналом с коллектора транзистора 37 элемент 2И 33 блока 32 формирования запускающих импульсов удерживается в состоянии с ну5 левым уровнем сигнала на выходе.

При этом электромагнитная энергия, накопленная в обмотке 26 дросселя 25 vB предьщущий отрезок времени, передается через выходную обмотку 27

0 накопительного дросселя 25 и выпрямитель 30 на выход устройства в виде импульса тока,

В момент-запирания силового транзистора 5 основного преобразова5 теля напряжением с средней точки ре- зистивного делителя 42, 43 открывается транзистор 36 и начинается перезаряд конденсатора 41 через резистор 39 и открытый транзистор 36.

0 При этом запирается транзистор 37 и соответственно запирается вспомогательный ключ 35. С коллектора запертого транзистора 37 сигнал высокого уровня подается на первый вход элемента 2И 33 блока 32, В момент времени, когда заканчивается сброс тока с выходной обмотки 27 дросселя 25 через выпрямитель 30 в нагрузку, напряжение, наведенное в выход0 ной обмотке 27 и обмотке 28 обратной связи, становится равным нулю. Это ведет к переключению нуль-органа 34 блока 32 в единичное состояние по выходу, а на выходе элемента 2И 33

g (выходе блока 32 ) появляется единичный сигнал. Под действием этого сигнала в базу сцл:ового транзистора 29 подается запускающий импульс тока и последний открьгаается. В

Q результате к входной обмотке 26 дросселя 23, прикладывается постоянное входное напряжение н ток в этой обмотке начинает линей)Ю возрастать. Под действием положительного напряg жения, наведенного в обмотке 28 обратной связи дросселя 25, дополнительно подается ток в базовую цепь силового транзнстора 29 и последний удерживается в открытом состоянии.

5

Нуль-орган 34 этим сигналом переводится в нулевое состояние по выходу, блокируя запускающий импульс тока с выхода элемента 2И 33 блока 32 формирования запускающих импульсов. Длительность открытого состояния силового транзистора 29 равна длительности разряда конденсатора 41

линии задержки. Путем выбора одинако- ю уменьшение времени открытого состоя- вых значений резисторов 38 и 39 це- ния силового транзистора 29 и уменьпей заряда и перезаряда конденсатора 41 достигается равенство дпительнос- тей открытого состояния силовых транзисторов основного и дополнительного преобразователей. Поэтому ток во входной обмотке 26 дополнительного преобразователя повторяет форму тока в основном преобразователе. При

одинаковых обмоточных данных накопительных дросселей 1 и 25 токи аналогичны и во вторичных обмотках.

Таким образом, при организации симметричного цикла работы основного Преобразователя (время накопления энергии в виде роста тока в входной обмотке 2 равно времени отдачи энергии в нагрузку в виде импульса тока в выходной обмотке 3)и равенстве длительности разряда конденсатора 41 его длительности заряда дополнительный преобразователь также работает по симметричному циклу. Циклы работы второго преобразователя сдвинуты на такт относительно циклов работы первого (когда первый накапливает энергию, второй сбрасывает энергию в нагрузку, когда первый сбрасывает энергию в нагрузку, второй накапливает энергию).

Общий ток, текупшй в фильтрующий конденсатор блока бив нагрузку, имеет предельно непрерывную форму

При отклонении выходного напряжения преобразователя от заданного значения, например по причине повышения напряжения первичного источника питания, блок 20 обратной связи устраняет возникшее отклонение следуюршм образом. При превышении выходного напряжения над заданным на выходе дифференциального усилителя блока 20 обратной связи появляется сигнал, шунтирующий резистор 13. Напряжение на средней точке делите- ля 12, 13 и соответственно на неинвертирующем входе компаратора 1 1 уменьшается.При этом переключение

компаратора 11 в нулевое состояние по выходу происходит при меньшем напряжении на конденсаторе 10 RC-це- почки 8, Это вызывает уменьшение времени открытого состояния силового транзистора 5, уменьшение знергии, запасаемой в дросселе 1 и отдаваемой в нагрузку и соответственно

20

шение энергии, запасаемой в дросселе 25 и отдаваемой в нагрузку. В результате преобразователь стабилизи- 15 рует выходное напряжение, а количество передаваемой с входа на выход энергии всегда равно знергии, потребляемой в нагрузке.

За счет реализации в устройстве поочередной работы первого и второго преобразователей ток в нагрузке приближается к предельно непрерывной форме , поэтому амплитуда импульсов тока в нагрузке снижается в два раза, а их частота повышается вдвое. Поэто25

0

5

0

5

Q

5

му уровень пульсаций в выходном напряжении снижается в четыре раза.

Формула изобретения

2 Преобразователь по п.I, от - личающийся тем, что блок формирования временных интервалов содержит первый и второй транзисторы коллектор первого, база и коллектор второго транзисторов подключены соответственно через первый, второй и третий резисторы к выходу вспомогательного блока выпрямления и сглажн вания основного преобразователя, при этом первый и второй резисторы имеют одинаковое сопротивление, и конденсатор, включенный между кол

лектором первого и базой второго транзистора, базовый вывод первого транзистора является входом, а коллектор и эмиттер второго транзистора являются соответственно первым и вторым выходами блока.

3, Преобразователь по п,1, отличающийся тем, что блок формирования запускающих импульсов содержит элемент И, выход которого является выходом блоха, н нуль-орган выход которого подключен к второму входу элемента И, а первый вход элемента И и вход нуль-органа являются соответственно первым и вторым входа- Ь4и блока.