Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного тока Советский патент 1989 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации вторичного электропитания радиоэлектронной ап- паратурЫс,

Цель изобретения - упрощение и повьппение качества стабилизации.

На фиг.1 представлена общая структурная схема предлагаемого стабили- зируюп1его преобразователя напряжения постоянного тока; на фиг,2-4 - функциональные схемы стабилизирующих преобразователей соответственно понижающего, повышающего и инвертирующего типа,

Преобразователь содержит силовой блок 1 (фиг.1), управляемый питающим напряжением Е источник 2 постоянного тока, вспомогательной источник 3 постоянного тока, коммутатор 4 тока, компаратор 5 в виде регенеративного узла с гистерезисом передаточной характеристики, времязадающий конденсатор 6 с емкостью С, выводы 7 и 8 для подключения первичного источника питания, выводы 9 и 10 для подключения нагрузки. Силовой блок 1 содержит ключ 11 (фиг„2-4), дроссель 12, диод 13, конденсатор 14, Коммутатор 4 тока выполнен либо в виде первого 15 и второго 16 диодов (фиг,2 и 3), либо дополнительно с третьим 17 и четвертый 18 диодом (фиг,4),

Силовой блок 1 включен между вьшо- дами 7 и 8 для подключения первичного источника питания и выводами 9 и 10 для подключения нагрузки. Один из полюсов управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока соединен с выводом 7 для подключения первичного источника питания. Выход компаратора 5 подключен к управляющему входу силового блока 1, Времязадающий конденсатор 6 включен между вход- ным и общим выводами компаратора 5, Первый входной вывод коммутатора 4 тока соединен с другим полюсом управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока, а первый вы- ходной вывод - с входным выводом компаратора 5. Вспомогательный источник 3 постоянного тока включен между вьгаодом 8 для подключения первичного источника питания и вторым входным выводом коммутатора 4 тока с обеспечением входного тока последнего, противоположного по направлению входному току от управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока. Второй входной вывод коммутатора 4 тока соединен с выходным вьшодом компаратора 5„

При наличии силового блока 1 в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа, т,е, с включением ключа 11 и дросселя 12 последовательно с нагрузкой (фиг,2), в коммутаторе 4 тока одноименные электроды (аноды) диодов 15 и 16 подключены к первому входному вьшоду, другой элект)д (катод) диода 15 - к второму входному и первому выходному выводам, а другой электрод (катод) диода 16 - к второму выходному выводу.

При наличии силового блока 1 в виде импульсного параллельного регулятора напряжения повьштающего типа, т.е, с включением ключа 11 параллельно нагрузке (фиг,3), в коммутаторе 4 тока одноименные электроды (катоды) диодов 15 и 16 подключены к второму входному выводу, другой электрод (анод) диода 15 - к первому входному и первому выходному выводам, а другой электрод (анод) диода 16 - к второму выходному выводу

При наличии силового блока 1 в виде импульсного параллельного регулятора напряжения инвертизирующего типа, т,е, с включением дросселя 12 параллельно нагрузке (фиг,4), в коммутаторе 4 тока диоды 15-18 образуют мост, вход которого подключен к входным выводам, а выход - к выходным выводам.

Преобразователь работает следующим образом.

Компаратор 5 совместно с времяза- дающим конденсатором 6, управляемым питающим напряжением Е и вспомогательными источниками 2 и 3 постоянного, а также коммутатором 4 тока образуют автогенератор, генерирующий последовательность прямоугольных импульсов. Если на выходе компаратора 5 установлен высокий потенциал, то вследствие связи коммутатора 4 тока с выходом компаратора 5 из источников 2 и 3 формируется ток заряда Ij конденсатора 6, напряжение на котором увеличивается по линейному во времени закону. Когда это напряжение достигает верхнего порога срабатьгеания компаратора 5, последний переключается

515

в состояние, при котором на его выходе устанавливается низкий уровень напряжения, воздействующий на коммутатор 4 тока так, что на его первом выходе появляется отрицательный ток IP , обеспечивающий разряд конденсатора 6, причем значение разрядного тока IP в общем случае определяется значениями токов источни- ков 2 и Зо

Вследствие разряда конденсатора 6 напряжение на нем уменьщается и при достижении нижнего порога срабатывания компаратор. 5 вновь переключает- ся в состояние, когда на его выходе устанавливается высокий потенциал Далее процессы повторяются. Если предположить, что первый из рассмотренных временных интервалов соответствует длительности включенного состояния регулирующего ключа 11 силового блока 1 (длительности импульса t), а второй - выключенному состоянию (длительности паузы t), обозначить через AU разность порогов срабатывания компаратора 5, определяемую гистерезисом передаточной характеристики, то указанные длительности определяются соотношениями:

t; uUC/I,; t M C/Ip,

В подавляющем большинстве случаев в устройствах электропитания применяются преобразователи постоянного на- пряжения, работающие в режимах непрерывного изменения потока в магнитных элементах и имеющие один из трех видов регулировочных характеристик

(tu+c);

Uh, E(t,-t-t)

,/t

где и f, - напряжение на нагрузке,

В преобразователях, содержащих трансформаторы, аналогичные характеристики отличаются от приведенных постоянным множителем при Е, что не меняет принципиально законов управ- ления временными интервалами t и t, обеспечивающих стабилизацию выходного напряжения при возмущениях питающего (входного), Эти законы для трех видов регуляторов, называемых соответ- ственно понижающим, повышающим и инвертирующим, определяются из приведенных регулировочных характеристик со- отнощениями:

l6

(t,,/t,)UH,/(E-U,);

(t«,/tni) ()/E; (t,/tn)UH5/E,

которые при учете значений t и t , характеризующих работу рассматриваемого преобразователя, преобразуются к виду

dp, /ij, )UH,/(E-U,); () (UH,-E)/E;

()UH,/E.

Токи заряда и разряда времязадающе- го конденсатора 6 формируются коммутатором 4 тока из вспомогательного источника 3 постоянного тока, значение которого 1р, и управляемого питающим напряжением Е источника 2 постоянного тока, значение которого E/R, где R некоторое эквивалентное сопротивление преобразования напряжения в ток. Анализ последних из приведенных соотношений позволяет сделать вывод, что для преобразователей, имеющих первый вид регулировочной характеристики в режиме стабилизации выходного напряжения коммутатор А тока должен работать так, чтобы выполнялись равенства и I,,, (E/R)-I(,, для преобразователей второго типа - Iр (, -(E/R) и , а для преобразователей третьего типа 1р 1о и 1 E/R. Выходное напряжение при выполнении указанных равенств во всех трех случаях равно и не зависит от значений емкости С времязадающего конденсатора 6 и характеристик компаратора 5.

Преобразователь (фиг.2) имеет регулировочную характеристику первого типа, а токи заряда и разряда времязадающего конденсатора 6 формируются следующим образом. При высоком уровне напряжения на выходе компаратора 5 диод 16 коммутатора 4 тока закрыт и ток E/R управляемого питающим напряением Е источника 2 протекает через открытый диод J5, а источник 2 подклюен непосредственно к конденсатору 6, Поэтому ток заряда Tj последнего, пределяющий длительность импульа t, , зависит от разности (E/R)-I, о время паузы tn, , когда на выходе омпаратора 5 установлен низкий поенциал, диод 16 открывается, что приодит к запиранию диода 15, а конденсатор 6 разряжается постоянным током Ig, Следовательно, выходное напряжение не зависит от питающего напряжения Е., а также от емкости С конденсатора 6 и параметров компаратора 5.

Силовой блок 1 (фиг.З) преобразователя скомпонован так, что он обладает

регулировочной характеристикой второго

10

15

20

30

типа, а коммутатор 4 тока работает следующим образом, В процессе формирования длительности импульса t и вследствие наличия высокого потенциала на выходе компаратора 5 открыт диод 16, через который замыкается постоянный ток 1р, а диод 15 закрыт. Поэтому заряд времязадающего конденсатора 6 происходит током E/R управляемого питающим напряжением Е источника 2 тока, непосредственно соединен-- ного с входом компаратора 5, Переключение компаратора 5 в противоположное состояние приводит к запиранию диода 16 и отпиранию диода 15, че- 25 рез который начинает протекать ток 1д, Поэтому разряд конденсатора 6, определяющий длительность паузы t осуществляется разностью токов 1д(Е/К) и, следовательно, выходное напряжение не зависит от питающего напряжения Е, Преобразователь напряжения (фиг,А) имеет регулировочную характеристику третьего типа, а коммутатор 4 тока работает следующим образом. Во время длительности импульса t высокий уровень напряжения на выходе компаратора 5 приводит к отпиранию диода 18 и запиранию диодов 16 и 17, При этом ток Тр вспомогательного источника 3 постоянного тока 3 замыкается через диод 18 и выходную цепь компаратора 5, а ток E/R управляемого питающим напряжением Е источ- . ника 2 тока протекает через диод 15, обусловливает заряд времязадающего конденсатора 6 и определяет длительность импульса tu, Низкий уровень напряжения на выходе компаратора 5 приводит к отпиранию диода 16 и запиранию диодов 18 и 15, При этом ток E/R замыкается через выходную цепь компаратора 5, а ток 1 замыкается через открывающийся диод 17 и конденсатор 6, разряжая последний. В соответствии с изложенным выходное напряжение преобразователя остается постоянным при изменениях питающего напряжения Е,

15241418

Коммутатор 4 тока преобразователя фиг,4 может быть выполнен реально с некоторой избыточностью, в виде универсальной схемы, позволяющей формировать токи заряда и разряда времязадающего конденсатора 6, так, чтобы обеспечивались требуемые для стабилизации законы управления для любого из рассмотренных преобразователей. Если разомкнуть цепь, в которую включен диод 17 то работа коммутатора 4 тока аналогична работе преобразователя с регулировочной характеристикой первого типа, а диод 18 находится постоянно в проводящем состоянии. Если при замкнутой цепи диода 17 разомкнуть цепь диода 16, то работа коммутатора 4 тока соответствует преобразователю, представленному на фиг,3,- а диод 15 находится постоянно в проводящем состоянии, С учетом того, что источники 2 и 3

35

40

45

50

55

тока, а также компаратор 5 в настоящее время легко реализуются методами интегральной технологии, можно ре-- комендовать блок управления стабилизированного преобразователя фиг,4 , в качестве универсального устройства управления стабилизирующих преобразователей, при обеспечении возможности коммутации цепей диодов 16 и 17,

Таким образом, выполнение компаратора 5 в виде регенеративного узла, имеющего гистерезис передаточной характеристики, и принятое подключение коммутатора 4 тока позволяют упростить стабилизирующий преобразователь за счет исключения отдельного задающего генератора и повысить качество стабилизации выходного напряжения, поскольку устраняется зависимость последнего от значений емкости с времязадающего конденсатора 6 частоты переключения и параметров, харак- теризуюпшх работу компаратора 5,

Формула изобретения

1, Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий силовой блок, включенный между выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки, управляемый питающим напряжением источник постоянного тока, один из полю- сов которого соединен с первым выводом для подключения первичного источника питания, компаратор, выход

0

5

5

0

5

0

5

тока, а также компаратор 5 в настоящее время легко реализуются методами интегральной технологии, можно ре-- комендовать блок управления стабилизированного преобразователя фиг,4 , в качестве универсального устройства управления стабилизирующих преобразователей, при обеспечении возможности коммутации цепей диодов 16 и 17,

Таким образом, выполнение компаратора 5 в виде регенеративного узла, имеющего гистерезис передаточной характеристики, и принятое подключение коммутатора 4 тока позволяют упростить стабилизирующий преобразователь за счет исключения отдельного задающего генератора и повысить качество стабилизации выходного напряжения, поскольку устраняется зависимость последнего от значений емкости с времязадающего конденсатора 6 частоты переключения и параметров, харак- теризуюпшх работу компаратора 5,

Формула изобретения

1, Стабилизирующий преобразователь напряжения постоянного тока, содержащий силовой блок, включенный между выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки, управляемый питающим напряжением источник постоянного тока, один из полю- сов которого соединен с первым выводом для подключения первичного источника питания, компаратор, выход

9

которого подключен к управляющему входу силового блока, времязадающий конденсатор, включенный между входным и общим выводами компаратора, коммутатор тока, первый из двух вход ных выводов которого соединен с другим полюсом управляемого питающим напряжением источника постоянного тока, а первый выходной вьюод - с входным выводом компаратора, отличающийся тем, что, с целью урощения и повьш1ения качества стабилизации, в него введен вспомогательный источник постоянного тока, компаратор выполнен в виде регенеративного узла с гистерезисом передаточной характеристики, а коммутатор тока снабжен вторым выходным выводом, причем вспомогательный источник постоянного тока включен между вторым выводом для подключения первичного источника питания и вторым входным вьшодом коммутатора тока с обеспечением входного тока последнего, противоположного по направлению входному току от управляемого питающим напряжением источника тока, а второй выходной вывод коммутатора тока соединен с выходным вьшодом компаратора.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что при на

10

15

24

20

5

0

U110

личии силового блока в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа коммутатор тока выполнен в виде двух диодов, одноименные электроды которых подключены к первому входному выводу, другой электрод первого диода - к второму входному и первому выходному выводам, а другой электрод второго диода - к второму выходному выводу.

3.Преобразователь по п. I, о т - личающийся тем, что при наличии силового блока в виде импульсного параллельного регулятора напряжения повышающего типа коммутатор тока выполнен в виде двух диодов, одноименные электроды которых подключены к второму входному выводу, другой электрод первого диода - к первому входному и первому выходному выводам

а другой электрод второго диода - к второму выходному выводу.

4.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что при наличии силового блока в виде импульсного параллельного регулятора напряжения инвертизирующего типа коммутатор тока выполнен в виде четырех диодов, образующих мост, вход которого подключен к входным вьшодам, а выход .- к выходным вьшодам.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - упрощение и повышение качества стабилизации. Устройство содержит силовой блок 1, выполненный в виде импульсного последовательного регулятора напряжения понижающего типа, импульсного параллельного регулятора напряжения повышающего типа или импульсного параллельного регулятора напряжения инвертирующего типа, управляемый питающим напряжением источник 2 постоянного тока, вспомогательный источник 3 постоянного тока, диодный коммутатор 4 тока и компаратор 5, реализованный как регенеративный узел с гистерезисом передаточной характеристики, времязадающий конденсатор 6. Составные блоки 2-6 образуют автогенератор, генерирующий последовательность широтно-модулированных прямоугольных импульсов, используемую для управления силовым блоком 1. Упрощение конструкции достигнуто за счет исключения отдельного задающего генератора, а повышение качества стабилизации - путем устранения зависимости выходного напряжения от значений емкости времязадающего конденсатора 6, частоты переключения и параметров компаратора 5. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиг. 2

I

Фи9 3