Импульсный стабилизатор переменного напряжения Советский патент 1989 года по МПК G05F1/30 

(21)4343888/24-07

(22)13„07.87

(46) 30,09.89, Бюло № 36

(71)Московский технологический институт Министерства бытового обслуживания населения РСФСР

(72)С„И„ Червяков

(53)621,316„722„1(088о8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1334116, кл„ G 05F1/20, 1986„

Авторское свидетельство СССР № 1239692, кл„ G 05 F1/30, 1984.

(54)ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57)Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение КПД стабилизатора Напряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений: входного и напряжения на обмотке 1,2

трансформатора Узел 9 управления, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов 3.01,5 и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1.2 трансформатора, автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжения постоянной амплитуды КПД стабилизатора увеличивается за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах 3,5 и в узле 9 управления, т.к., в схеме всегда открыт только один из ключевых элементов Особенно наглядно преимущества схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1.2 трансформатора и цепь, состоящую из последовательно соединенных обмоток 1.1 и КЗ трансфор- . матора, обмоток 2 и дросселя и ключевого элемента 4 3 ил

с б

(Л

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение КПД стабилизатора. Напряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений: входного и напряжения на обмотке 1.2 трансформатора. Узел 9 управления, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов 3...5 и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1.2 трансформатора, автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжения постоянной амплитуды. КПД стабилизатора увеличивается за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах 3, 5 и в узле 9 управления, т.к. в схеме всегда открыт только один из ключевых элементов. Особенно наглядно преимущества схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1.2 трансформатора и цепь, состоящую из последовательно соединенных обмоток 1.1 и 1.3 трансформатора, обмоток 2.1 и 2.2 дросселя и ключевого элемента 4. 3 ил.

00

со

Фиг л

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратурыо

Целью изобретения является увеличение КПД стабилизатора о

На фиг о 1 представлена схема импульсного стабилизатора переменного напряжения; на фиг, 2 - схема узла управления,- на фиг, 3 - диаграммы напряжений и токов в основных узловых точках схемы

Стабилизатор содержит трансформатор 1, дросс.ель 2, ключевые элементы 3-5, конденсаторы 6-8, узел 9 управления. К выходным выводам стабилизатора подключена нагрузка 10

Обмотка трансформатора 1,2 включена между входным и выходным выводами одной из силовых шин стабилизатора, выводы которой соединены с разноименными выводами обмоток 1,1 и 1оЗ, вторые выводы которых подключены к разноименным выводам обмоток 2о1 и 2о2 дросселя Вторые их выводы соединены между собой через ключей элемент 4 и подютючены к второй силовой гоине соответственно через

гического блока 15 являются выходами узла 9 управления о Выходы задающего 11 и ведомого 14 генераторов подклюг чены соответственно к входу синхронизации С и D-входу D-триггера 16 и к входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, выход которого соединен с вторым выходом узла 9 уп10 равления и с первыми входами первого 1 8 и второго 19 логических элементов риШ-НЕ, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному вьгходам D-триггера 16,

15 а выходы - соответственно к первому и третьему выходам узла 9 управления. Причем регулируемый фазосдвигающий узел 12 содержит, например, последовательно соединенные дифференцирующую

20 цепочку 20, одновибратор 21 с регулируемой длительностью импульса, к утг- равлярощему входу которого подключен выход узла 22 сравнения, соединенный входом с входом фазосдвигающего узла 12, и дифференцирующую цепочку 23,

При этом генераторы 1 1 и 14 выпол- нены с использованием двоичных счетчиков 24 и 25 импульсов, (например, . микросхемы 564 НЕ 10), счетные вхо ключевые элементы 3 и 5„ Управляющие 0д которых подключены к высовходы ключевых элементов 3-5 соеди-кочастотного генератора 26, частота

нены соответственно с первым - треть-импульсов которого много выше частоим выходами узла 9 управления, выпол-ты задающего генератора 11, Выходаненных гальванически развязаннымими генераторов 11 и 14 являются вы(например, с помощью оптронов),вход 35ходы старших разрядов счетчиков 24

которого подключен к выходньм выводам стабилизатора. При этом обмотки трансформатора 1о1-1.3 шунтированы конденсаторами 6-8, а отношения витков в обмотках 1,1 и 1,3 трансформатора 1 равно отношению витков в обмотках 2,1 и 2о2 дросселя о 2 о Ключевые элементы 3-5 выполнены двухполярными, например в виде транзистора, включенного в диагональ диодного вьшря- мительного мостар

Узел 9 управления содержит последовательно соединенные задающий генератор 11, регулируемый фазосдвига- щий узел 12, управляющий вход которого соединен с выходом датчика 13 амплитуды, подключенного своим входом к входу узла 9 управления, ведомый генератор 14, вход которого подключен к выходу регулируемого фазосдвигающего узла 12, а выход к первому входу логического блока 15, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, Выходы логического блока 15 являются выходами узла 9 управления о Выходы задающего 11 и ведомого 14 генераторов подключены соответственно к входу синхронизации С и D-входу D-триггера 16 и к входам логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17, выход которого соединен с вторым выходом узла 9 управления и с первыми входами первого 1 8 и второго 19 логических элементов риШ-НЕ, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному вьгходам D-триггера 16,

а выходы - соответственно к первому и третьему выходам узла 9 управления. Причем регулируемый фазосдвигающий узел 12 содержит, например, последовательно соединенные дифференцирующую

цепочку 20, одновибратор 21 с регулируемой длительностью импульса, к утг- равлярощему входу которого подключен выход узла 22 сравнения, соединенный входом с входом фазосдвигающего узла 12, и дифференцирующую цепочку 23,

При этом генераторы 1 1 и 14 выпол- нены с использованием двоичных счетчиков 24 и 25 импульсов, (например, . микросхемы 564 НЕ 10), счетные вхои 25, а входом синхронизации ведомого генератора 14 - вход обнуления счетчика 25,

Стабилизатор работает следующим

образоМо

Узел 9 управления, частота импуль- со.в на выходах которого выбирается много больше частоты питающей сети, обеспечивает при напряжении сети ниде номинального попеременное открывание ключевых элементов 3 и 4 при постоянно закрытом ключевом элементе 5, а при напряжении сети вьппе номинального попеременное открывание

ключевых элементов 4 и 5 при постоянно закрытом ключевом элементе 3, ;0б- мотки дросселя 2 и конденсаторы 6-8 образуют интегрирующий фильтр, отфильтровывающий высокочастотные составляющие импульсов напряжения, возникающих на выводах ключевого элемента 4„ В результате на обмотках трансформатора 1 выделяются напряжения с частотой сети, амплитуда и

фаза которых регулируется узлом 9 уравления.

Напряжение на выходе стабилизатора является суммой двух напряжений, входного напряжения и напряжения на обмотке 1.2 трансформатора 1

Поэтому, изменяя время открытого состояния соответствующих ключевых элементов и регулируя таким образом амплитуду и фазу напряжения на обмотке 1о2 трансформатора 1, узел. 9 управления автоматически поддерживает на выходе стабилизатора напряжение постоянной амплитуды

Так, при минимальном напряжении постоянно открыт ключевой элемент 3, а обмотки 1о1 и 1о2 трасформато- ра I образуют повышающий автотрансформатор. При номинальном входном напряжении постоянно открыт ключевой элемент 4, причем часть тока нагрузки протекает через обмотку Io2j а остальная часть - через последовательно соединенные обмотки 1о1 и 1.3 трансформатора 1., обмотки 2.1 и 2.2 дросселя 2 и ключевой элемент 4 о При максимальном входном напряжении постоянно открыт ключевой элемент 5, а обмотки 1.2 и трансформатора образуют понижающий автотрансформатор

Узел 9 управления работает следующим образом.

Регулируемый фазосдвигающий узел 12 сравнивает напряжение, пропорциональное амплитуде выходного напряжения стабилизатора, которое по- .ступает с выхода датчика 13 амплитуды выходного напряжения, с опорным и в зависимости от разности этих напряжений сдвигает импульсы ведомого генератора 14 относительно импульсов задающего генератора 11„

Причем при напряжении сети ниже номинального фаза импульсов ведомого генератора 14 такова, что они отстают по фазе от импульсов задающего генератора 11 менее, чем на полупериод колебаний задающего генератора Поэтому передний фронт импульсов задающего генератора 11 приходит во время паузы на выходе ведомого генератора 14 и, последовательно, на прямом выходе триггера 16 будет постоянной нулевой логический уровень, так как передние фронты импульсов на его входе С синхронизации, по которым происходит установка на

96

его выходе такого же логического уровня, как и на его входе D , приходят во время, когда на входе D

присутствует нулевой логический уровень. Следовательно, на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 19 будет постоянно нулевой логический уровень, таким образом, ключевой элемент 5

будет постоянно закрыт

На выходе логического элемента- ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 присутствуют импульсы с удвоенной частотой задающего генератора 11, длительность которых зависит от сдвига фаз между импульсами задающего. 11 и ведомого 14 генератора и равна интервалу времени между передними фронтами импульсов на их выходах.

Логический элемент 1-ШИ-НЕ 18 инвертирует сигнал на-выходе логического элемента 17. Это обеспечивает попеременное включение ключевых элементов 3 и 4с,

При напряжении сети выше номинального фаза импульсов ведомого генератора 14 такова, что они отстают по фазе от и myльcoв задающего генератора 11 более, чем на полупериод колебаний задающего генератора.

Поэтому передний фронт импульса задающего генератора 11 приходит во время импульса на выходе ведомого генератора 14, следовательно, на прямом выходе триггера 16 будет постоянно единичный логический уровень, а на выходе логического элемента 18 - нулевой В результате ключевой элемент 3 будет постоянно закрыт

На выходе логического элемента 17 присутствуют импульсы с удвоенной частотой задающего генератора, длительность которого зависит от сдвига фаз между импульсами задающего 11 и

ведомого 14 генераторов и равна интервалу времени между передним фронтом импульса задающего 11 и задним фронтом импульса ведомого 14 генераторов

Логический элемент ИЛИ-НЕ 19 инвертирует сигнал на выходе логического элемента 17 Это обеспечивает попеременное включение ключевых элементов 4 и 5,

Таким образом,меняя сдвиг фаз меж-; ду импульсами задающего 11 и ведомого 14 генераторов, обеспечивается требуемый закон переключения ключевых

элементов 3-5 и регулируется амплитуда и фаза напряжения на обмотке 1„ трансформатора, а на выходе стабилизатора получается напряжение постоянной амплитудыо

Задающий и ведомый генераторы 11 и 14 и регулируемьй фазосдвигающш узел 12 работают следующим образомо Импульсы с выхода высокочастотного генератора 26, частота которых много вьппе частоты задающего генератора 11, поступают на счетные входы двоичных счетчиков 24 и 25, выход старших разрядов которых являются выходами генераторов 11 и 14о Такое построение схем генераторов обеспечивает одинаковую частоту задающего 11 и ведомого 14 генераторов и одинаковую скважность импульсов, равную двум о

Задний фронт импульса с выхода задающего генератора I1, пройдя через дифференциальную цепочку 20, запускает одновибратор 21 с регулируемой длительностью импульсао Поэтому сигнал с выхода одновибратора 21, поступая через дифференцирующую це- почкз 23 на вход обнуления счетчикд 25, своим передним фронтом синхронизирует ведомьш генератор 14, сдви гая его импульсы относительно импуль йов задающего генератора 11 на время импульсов одновибратора 21«

Время импульса одновибратора,регулируется автоматически узлом 22 сравнения (выполненным, например, на микросхеме 142 ЕН 1 Б), например, подключенным выходом к управляющему входу одновибратора 21,

На фиг о 3 представлены диаграммы напряжений и то ков в основных узловых точках схемы (причем при t t g входное напряжение меньше номинального, а при t7 tp входное напряжение больше номинального), где И , и Г - напряжения на выходах соответственно задающего 1 и ведомого 14 генератора Uj напряжение на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 17 напряжение на прямом выходе тригге- pal6;Uj - напряжения на выходах элементов ИЛИ-HR соответственно 18 и 19 j i и i-j - токи через обмотки дросселя 2 соответственно 2о1, 2„2, при этом их огибающая представляет синусоиду, прямоугольная же аппроксимация, показанная на фиг. 3, объясняется тем, что на ней

показана лишь малая часть периода входного напряжения, так как частота задающего гелератора 11 много больше частоты сети,и невозможно в одном временном масштабе показать сигналы на выходе узла 9 управления и полный период входного напряжения о Такое построение схемы стабилизатора позволяет увеличить КПД стабилизатора за счет уменьшения потерь мощности на ключевых элементах и в узле управления. Это объсняется тем, что в предлагаемой схеме всегда открыт только один из ключевых элементов 3-5, ток через который не больше, чем токи через открытые клю- чевы{| элементы в схеме-прототипа, где всегда открыты два ключевых элемента„ Кроме того, при открытом

ключевом элементе через него протекает ток по крайней мере вдвое мень ший, чем ток, протекающий через открытый ключевой элемент схемы-прототипао

Особенно наглядно преимущества предлагаемой схемы видны при номинальном входном напряжении, когда ток нагрузки протекает через обмотку 1с, 2 трансформатора 1 и включенную параллельно ей цепь, состояющую из последовательно соединенных обмоток 1„1 и 1сЗ трансформатора 1, обмоток 2с,1 и 2„2 дросселя 2 и ключевого элемента 4„ При этом потери мощности на открытом ключевом элементе и на управление им в узле управления в предлагаемой схеме по крайней мере в 4 раза меньше, чем

в схеме-прототипе, так как в схеме открыт всего лишь один ключевой элемент и ток через него по крайней мере в два раза меньше тока через открытые элементы в схеме-прототи- пе, где открыты одновременно два ключевых элемента

Все это позволяет уменьшить потери мощности на ключевых элементах и, следовательно, увеличить КПД стабилизатора ,

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор перемен- ного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого шунтирована конденсатором и первым выводом соединена через обмотку дросселя с первыми выводами первого и

91

второго ключевых элементов, а вторичная включена нежду входным и выходны выводами одной из силовых шин, третий ключевой элемент, соединенный первым выводом с вторым выводом первого ключевого элемента и второй силовой шиной, при этом управляющие входы первого, второго и третьего ключевых элементов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам узла управления, соединенного входом с выходными выводами и выполненного в виде последовательного соединенг я: задающего генератора, регулируемого фазо- сдвигающего узла, управляющий вход которого подключен к выходу датчика амплитуды, соединенного выходом с входом узла управления, и ведомого генератора, вход которого подключен к выходу регулируемого фазосдви- гающего узла, а выход - к первому входу логического блока, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, выходы логического блока являются выходами узла управления, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД стабилизатора, в трансформатор и дроссель введены соответственно дополнительная первичная и дополнительная обмотки, а второй вывод

И8ЫХ

0

5

739JO

первичной обмотки трансформатора соединен с разноименным выводом его вторичной обмотки, второй вьгаод которой подключен к разноименному вы- воду дополнительной первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен через дополнительную обмотку дросселя с вторыми выводами второго и третьего ключевых элементов, причем вторичная и дополнительная первичная обмотки трансформатора шунтированы введенными конденсаторами, а логический блок узла управления выполнен на D-триггере, логическом элементе ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ и двух логических элементах ИПИ-НЕ, причем D-вход и вход синхронизагщи D-триггера соединены соответственно с первым и вторым входами логического блока, к которым подключены также входы логического элемента ИСКЛЮ- ИЛИ, выход которого соединен с первыми входами первого и второго

5 логических элементов ИЛИ-НЕ, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам D- триггера, выходы логических элементов первого ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

Q ИЛИ и второго ИЛИ-НЕ соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами узла управления

0

Фаг. 2