Импульсный стабилизатор переменного напряжения Советский патент 1989 года по МПК G05F1/44 

1

0 0

СО

о

00

Изобретение относится к электротехнике ,в частности, к устройствам регулирования переменного напряжения, и может быть использовано для питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение К.П.Д и уменьшение пульсаций входного тока. При отклонении сетевого напряжения от номинального значения блок 10 сравнения, воздействуя на широтно-импульсный модулятор 11, обеспечивает попеременное открывание соответствующих ключевых элементов. Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностями импульса одновибратора 15 и паузы генератора 13. Увеличение К.П.Д стабилизатора происходит за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах. Пульсации входного тока снижены благодаря использованию на входе дросселя. Кроме того, достоинством стабилизатора является снижение предельных требований к ключевым элементам за счет снижения максимального тока через ключевые элементы и напряжения на них в закрытом состоянии. 2 ил.

ьУ..УГ

..

//

ия2

3149

И:)обретение относится к электротехнике, в частности к устройствам регулирования переменного напряжения, и может быть использовано для нитания различной радиоэлектронной агтаратуры.

Цель изобретения - увеличение КПД и уменьшение пульсаций входного тока

На фиг,1 представлена схема им- пульсного стабилизатора переменного напряжения; на фиг.2 - схема пшротно- импульсного модулятора с подключенным к ней блоком сравнения.

Стабилизатор содержит дроссель 1, ключевые элементы 2-6, дополнительные конденсатор 7 и дроссель 8, конденсатор 9, блок 10 сравнения и ши- ротно-импульсньй модулятор 11. Нагрузка 12 подключена к выходным выво- дам.

Широтно-импульсный модулятор 11 (фиг.2) содержит последовательно соединенные генератор 13, дифференцирующую цепочку 14 и одновибратор 15с регулируемой длительностью импульса, логические ячейки И 16 и 17, ИЛИ-НЕ 18, RS-триггер 19 и логический сумматор 20. Входы логических ячеек 16 и 17 соединены соответственно с прямы- ми и инверсными входами генератора 13 и одновибратора 15, управляющий вход которого подключен к входу ши- ротно-импульсного модулятора 11. Выходы ячеек 17 и 16 соединены соответ- ственно с входами R и S триггера 19 с первым и вторым входами сумматора 20, подкл)ченного третьим входом к выходу триггера 19, и с входами ячейки ИЛИ-НЕ 18. Выходы логических яче- ек 16, 17 и 18, инверсный и прямой и выходы логического сумматора 20 являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами широтно-импульсного модулято- ра 11 .

Блок 10 сравнения содержит, например, датчик 21 амплитуды выходного напряжения и регулируемый источник 22 напряжения (например, дифференци- апьный усилитель, один из входов которого соедннен с опорным напряжени- ем, а второй - с выходом датчика 21)

Первые выводы ключевых элементов 2, 3 и 4 подключены через дополни- тельный дроссель 1 к входному выводу а вторые выводы этих ключевых элементов соединены соответственно с общей шиной, с первым выводом дополнительного конденсатора 7, второй вывод которого иодк.чючен к об1чей шине, и с псрьым- вынодом дросселя .Я, который через ключевые элементы 5 и 6 подключен соотнетственно к первом / и второму выводам конденсатора 7. Второй вывод дросселя 8 соединен с выходным выводом. ежду вькодным выводом и общей шиной подключены конденсатор 9, нагрузка 12 и вход блока 10 сравнения, выходом соединенный с входом широтно-импульсного модулятора 11. Первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы широтно-импульсного модулятора 11 выполнены гальванически развязанными (например с помощью оптронов) и соединены соответственно с управляющими 6, 2, 4, 3, 5 ключевых элементов. Ключевые элементы 2-6 выполнены двухполярны- ми, например, транзистор, включенный в диагональ диодного выпрямительного моста.

Стабилизатор работает следующим образом.

Частота переключения ключевых элементов во много раз превышает частоту сети, причем при напряжении сети выше номинального ключевой элемент 2 всегда закрыт. При этом, блок 10 для сравнения и широтно-импульсный модулятор 11 обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов одновременно 4,5 и 3,6. Поэтому конденсатор 7 всегда подключен к первому выводу дросселя I через открытые ключевые элементы либо 3, либо 4 и 5

В результате дроссель 1 и конденсатор 7 образуют фильтр низких час-( тот, (причем номиналы дросселя 1 и конденсатора 7 выбраны так, чтобы частота среза этого ф1шьтра была больше частоты сети и меньше частоты переключения ключевых элементов), низкочастотная составляющая выходного напряжения которого равна напряжению сети. При этом, на вход фильтра, образованного дросселем 8 и конденсатором 9, поступают высокочастотные импульсы напряжения, огибающая которых представляет синусоиду, частота которой равна частоте питающей сети. В момент открытого состояния ключевых элементов 4 и 5 конденсатор 9 и дроссель 8 накапливают энергию, причем часть энергии поступает от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 4, а остальная часть - от

ко)1де11сатора 7 через ключевой элемент 5. При чакрыванни ключевых элементов А и 5 открываются ключевые элементы 3 и 6, конденсатор 7 заряжается от сети через дроссель 1 и ключевой элемент 3, а дроссель 8 разряжается на конденсатор 9 и нагрузку 12. Следовательно, в момент паузы напряжение на нагрузке 12 поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе 8 и конденсаторе 9. Таким образом, происходит преобразование высокочастотных импульсов напряжения, поступающих на вход фильтра, образованного дросселей 8 и конденсатором 9, в переменное напряжение с частотой сети. При этом, номиналы емкости конденсатора 9 и индуктивности дросселя 8 выбираются так, чтобы частота среза фильтра была больше частоты сети и меньше частоты переключения ключевых элементов.

Амплитуда выходного }{апряу ения определяется скважностью работы ключевого элемента 5. 2 режиме стабилизации длительность импульсов тока через ключевой элемент 5 регулируется автоматически блоком 10 сравнения и широтно-импульсным модулятором 11, поддерживая на нагрузке 12 напряжения с постоянной амплитудой.

При напряжении сети меньше номинального блок 10 сравнения, воздействуя на широтно-импульсньй модулятор 11, обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов одновременно 2, 5 и 3, Аи закрытое состояние ключевого элемента 6. При открытых ключевых элементах 2 и 5 дроссель 1 накапливает энергию от сети через элемент 2, а конденс атор 7 разряжается, отдавая свою энергию в нагрузку 12 через ключевой элемент 5 и фильтр, образованный дросселем 8 и-конденсатором 9. При закр1,1вании ключевых элементов 2 и 5 широтно-им- пульсный модулятор обеспечивает открывание ключевых элементов 3 и 4. При этом, частъ энергии, поступающей от сети через дроссель 1, через ключевой элемент 4 и фильтр, образованный дросселем 8 и конденсатором 9, поступает в нагрузку 12, а остальная часть - через ключевой элемент 3 г заряжает конденсатор 7.

При закрьшании ключевых элементов 3 и 4 открываются ключевые элементы 2 и 5 и весь процесс вновь повторяет0

5

ся. в результате этого на выходе стабилизатора появляется напряжение с частотой сети.

Величина этого напряжения определяется скважностью импульсов тока, через ключевой элемент 2, Постоянная амплитуда напряжения на выходе поддерживается автоматически блоком 10 сравнения и широтно-импульсным модУ лятором 11, которые регулируют дли- тельность импульсов тока через ключевой элемент 2.

Блок 10 сравнения работает следующим образом.

Напряжение с выхода стабилизатора поступает на вход датчика 21 амплитуды выходного напряжения, а с его выхода сигнал, пропорциональный амплитуде выходного напряжения, поступает на управляющий вход регулируемого источника напряжения, в котором происходит сравнение величины управляющего напряжения с эталонным, а его

5 выходное напряжение линейно зависит от разности этих напряжений . Это напряжение поступает на вход широт- но-импульсного модулятора 1I и управляет его работой.

Широтно-импульсный модулятор 1I работает следующим образом.

Напряжение с выхода блока 10 сравнения поступает на управляющий вход одновибратора 15 с регулируемой дли тельностью импульса, запуск которого осуществляется по заднему фронту импульса генератора 13 дифференцирующей цепочкой 14. При этом, если длительность паузы генератора меньше, чем длительность импульса одновибратора для сигналов, снимаемых с их прямых выходов, происходит перекрытие импульсного генаратора и одновибратора, и на выходе логической ячейки И 16, на входы которой поступают сигналы с прямых выходов генератора 13 и одновибратора 15, периодически появляется сигнал логической единицы. Длительность импул ьсов напряжения на выходе логической ячейки 16 равна разности длительностей имг пульса одновибратора и паузы генератора. На выходе логической ячейки 17, на входы которой подаются сигналы с

5 инверсных выходов генератора и одновибратора, при таких условиях пос- .тоянно поддерживается единичный логический уровень, а логические уровни на выходе ячейки И 16 и инверсном

0

5

0

5

0

выходе логического сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уровням на выходе ячейки ИЛИ-НЕ 18 и прямом выходе сумматора 20, которые совпадают между собой.

Если же длительность паузы генератора 13 больше, чем длительность импульсов одновибратора 15, то напряжение логической единицы будет периодически появляться на выходе логической ячейки И 17, а на выходах логи-: ческой ячейки И 16 и триггера 19 будет постоянно поддерживаться напряжение логического нуля. При этом, логические уровни на выходе ячейки И 17 в прямом выходе сумматора 20 совпадают и противоположны логическим уровням на выходе ячейки ИЛИ-НЕ 18 и инверсном выходе логического сумматора 20. Длительность импульсов на выходе логической схемь; И 17 равна разности длительностей паузы генератора и импульса одновибратора.

Таким образом, меняя длительность иг- пульса одновибратора 15 можно осуществлять стабилизацию выходного напряжения, сделав уровень логической единицы напряжением, открывающим ключевые элементы. Причем, если напряжение сети больше номинального, длительность импульса сднсвибратора больше длительности паузы генератора и, следовательно, ключевой элемент 2 будет постоянно закрыт, а ключевые элементы попарно 3, 6 и 4 5 будут периодически переключаться.

При напряжении иети меньше номинального длительность импульсов одновибратора становится меньше длительности паузы генератора, и в результате этого ключевой элемент 6 будет постоянно закрыт, а ключевые элементы попарно 2, 5 и 3, 4 будут периодически переключаться.

Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностями импульса одновибратора 15 и паузы генератора 13.

Предложенная схема позволяет увеличить КПД стабилизатора за счет уменьшения потерь мощности на ютюче- вых элементах. Это объясняется тем, что суммарные потери на открытьос ключевых элементах, np)j прочих равных условиях пропорциональны сумме токов через эти ключевые элементы.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В известной схеме сумма токов через открытые ключевые элементы равна удвоенному току нагрузки при напряжении сети больие номинального и удвоенному входному току при напряжении сети меньше номинального.

В предложенном устройстве большую часть В1 емени открыты либо юпочевые элементы 4 и 5 (ири напряжении сети больие номинального), суммарный ток через которые равен току нагрузки, либо ключевые элементы 3 и 4 (при напряжении сети меньше номинального), суммарный ток через которые равен входному току. При открытых ключевых элементах либо 2 и 5, либо 3 и 6 суммарный ток равен сумме входного тока и тока нагрузки. Поэтому суммарный ток через открытые ключевые элементы в предложенной схеме всегда меньше, чем в схеме-прототипе, а, следовательно, предложенная схема обладает большим КПД.

Кроме того, достоинством предложенной схемы является значительное уменьшение пульсаций входного тока (из-за использования на входе стабилизатора дросселя 1) по сравнению с прототипом, где входной ток имеет вид импульсов, амплитуда которых ; приблизительно равна току нагрузки.

Еще одним достоинством предложенной схемы является тот факт, что ключевые элементы в ней должны быть расчитаны на максимальньй входной ток стабилизатора (в открытом состоянии) и максимальное входное напряжение (ы закрытом состоянии), в отличие от известной схемы, в которой ток максимальный через ключевые элементы и напряжение на них в закрытом состоянии по крайней мере вдвое больше. Из-за нидуктивностей рассеивания полуобмоток дросселя на ключевых элементах прототипа возможны перенапряжения, проектирование этих элементов сложнее, а стоимость их больше, чем в предложенной схеме.

Таким образом, предложенное устройство обладает большим КПД (за счет меньших динамических потерь), уменьшенными пульсациями входного тока и сниженными (вдвое) предельными требованиями к ключевым элементам.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый

ключевой элемент, iiepubii i и второй выводы которого подключены через второй и третш ключевые элементы к общей шине, дроссель, включенный между вторым вьшодом периого ключе- вого элемента и выходным выводом, конденсатор, подключенный к выходным выводам, с которыми соединен также вход блока сравнения, выходом подключенного к входу широтно-импульс- ного модулятора, выходы которого подключены к управляю1чим входам соответствующих ключевых элементов, причем широтно-импульсный модулятор состоит из генератора, прямой выход которсгр через дифференцирующую цепочку соединен с запускающим входом одновибратора, управляющий вход которого подключен к входу о;иротно- импульсного модуляторе, двух ячеек И, входы первой из которых соединены с прямыми, входы второй - с инверсными выходами генератора и одновибратора, а выходы подключены соответственно к первому и второму выходам широтно-импульсного модулятора, о т- лнчающийся тем, что, с целью увеличения КПД и уменьшения пульсаций входного тока, в него введены дополнительный дроссель, четвертый и пятый ключевые элементы и

лополнительныи конденсатор, причем дополнительный дроссель включен между входным выводом и первым выиодом первого к.чючевого элемента, первьп и второй выводы которого подключены соответственно через четвертьЛ и пятый ключевые элементы к первому выводу дополнительного конденсатора, второй вьюод которого соединен с общей шкной, кроме того, широтно-импульсный модулятор снабжен RS-триг- гером, ячейкой ИЛИ-НЕ и логическим сумматором, при этом выходы первой и второй ячеек И подключены соответственно к входам R и S триггера, к первому и второму входам логического сумматора и к входам ячейки ИПИ-НЕ, соединенной выходом с третьим выходом широтно-импульсного модулятора, четвертый и пятый выходы которого подключены соответст- венно к инверсному и прямому выходам сумматора, соединенного третьим вхо- дом с выходом RS-триггера, причем первый, второй, третий, четвертый и пятый вьосоды широтно-импульс:юго модулятора подключены соответствен- но к управляющим входам третьего, второго, первого, четвертого, пятого ключевых элементов.