Устройство для управления стабилизирующим преобразователем постоянного напряжения Советский патент 1990 года по МПК H02M3/335 

(Л

с

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования во вторичных источниках электропитания с импульсными стабилизаторами. Целью изобретения является повышение КПД при уменьшении тока нагрузки, уменьшение габаритов и повышение выходной мощности стабилизатора. Устройство содержит преобразователь 1 постоянного напряжения в постоянное с управляющим входом 2 и выходом 3 датчика 4 тока ключа, элемент ИЛИ 5, R-S-триггер 6, компараторы 7, 9, узел ООС 8, источник опорного напряжения 10, интегратор 11, дифференциальный усилитель 14, делители 15, 16, напряжения, селектор 19 максимальной длительности выключенного состояния регулирующего элемента и элемент 20 временной задержки импульсов. Параметры интегратора 11 и порог срабатывания компаратора 9 выбираются так, чтобы выполнялось условие ΔТ-H^.ΔJ/U_H, где H - индуктивность дросселя, включенного последовательно с ключом

ΔJ - заданная амплитуда переменной составляющей тока дросселя в режиме непрерывных токов

U_н - величина выходного напряжения, приведенная к входу

N - коэффициент трансформации силового трансформатора, ΔТ - временная задержка включения ключа после его выключения. Повышение КПД преобразователя достигается тем, что частота коммутации ключа, практически постоянна при уменьшении тока нагрузки вплоть до режима холостого хода. 5 ил.

ел

оо

Јь О J

00

состояния регулирующего элемента и элемент 20 временной задержки импульсов. Параметры интегратора 11 и порог срабатывания компаратора 9 выбираются так, чтобы выполнялось условие d.t L-UI/ ,iH, где L - индуктивность дросселя, включенного последовательно с ключом; Д1 заданная амплитуда переменной составляющей тока дроссе- ля в режиме непрерывных токов; U(

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования во вторичных источниках электропитания с импульсным регулированием, в частности в стабилизирующих преобразователя или ключевых стабилизаторах.

Целью изобретения является обеспечение высокого КПД при уменьшении тока нагрузки, уменьшение габаритов и повышение выходной мощности стабилизирующего преобразователя.

На фиг.1 приведена схема преобразователя; на фиг.2 - схема узла преобразования; на фиг.З - интегра- тор; на фиг.4 - схема селектора максимальной длительности выключенного состояния регулирующего элемента и элемента временной задержки импульсов; на фиг.5 - диаграммы, поясняющие работу схемы; на фиг.6 - диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип действия преобразователя.

Стабилизирующий преобразователь (фиг.1) содержит узел 1 преобразова- ния постоянного напряжения в постоянное с управляющим входом 2 и выходом 3 датчика 4 тока, элемент ИЛИ 5, RS-триггер 6, первый компаратор 7, узел 8 отрицательной обратной связи, второй компаратор 9, источник 10 опорного напряжения, интегратор 1 1 своим входом подключенный к выходу 12 узла преобразования, а входом 13 установки нуля - к второму выходу RS-триггера, дифференциальный усилитель 14, делитель 15 выходного напряжения, делитель 16 напряжения, диод 17. Узел 1 имеет силовой вход 18, который подключается к сети постоянного тока. Кроме этого, стабилизирующий преобразователь содержит селектор 19 максимальной длительности выключенного состояния регулирующего

величина выходного напряжения, приведенная к входу; п - коэффициент трансформации силового трансформатора; &L - временная задержка включения ключа после его выключения. Повышение КПД преобразователя достигается тем, что частота коммутации ключа, практически постоянна при уменьшении тока нагрузки вплоть до режима холостого хода. 6 ил.

0

5

с

0

5

элемента и элемент 20 временной задержки импульсов.

Узел 1 преобразования может быть выполнен по схеме фиг.2, которая содержит подключенную к силовому входу 18 первичную обмотку 22 силового трансформатора 23, вторичная обмотка которого через выпрямитель 24 подключена к выходу 12, шунтированному конденсатором 25 сглаживающего фильтра. Коммутация тока первичной обмотки силового трансформатора осуществляется регулирующим элементом из ключа (транзистора) 26, управляющего трансформатора 27 тока, дополнительного транзистора 28. Роль датчика 4 тока выполняет трансформатор 29 тока, выходная обмотка которого шунтирована резистором 30 и подключена к выходу 3. Управляющая обмотка 31 трансформатора 27 через резистор 32 подключена к положительному выводу источника питания U&)( и отрицательному выводу источника питания через замыкающий диод 33.

Интегратор 11 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.З. Он содержит операционный усилитель 34, интегрирующий конденсатор 35, резистор 36 и коммутатор 37, управляющий вход V которого образует вход 13 установки нуля интегратора.

I

Параметры интегратора и порог

срабатывания второго компаратора необходимо выбрать так, чтобы выполнялось условие

L-Ы

it

U

где L - индуктивность дросселя, включенного последовательно с регулирующим элементом; &т заданная амплитуда переменной составляющей тока дросселя в режиме непрерывных токов;

величина выходного напряжения преобразователя, приведенная

к его входу

о-:- -.

&t и п

где Uц - выходное напряжение преобразователя, п - коэффициент трансформации сило-, вого трансформатора преобразователя;

временная задержка включения ключа после его выключения.

10

и по истечении временной задержки t (фиг.5) на выходе элемента 20 возникает запускающий импульс. Этот импульс, пройдя через элемент 5 поступает на управляющий вход 2. Транзистор 28 включается, возникает ток через резистор 32 и обмотку 31 трансформатора 27 тока. Полярность напряжения на обмотках трансформатора 27 при этом такая, что регулирующий транзистор 26 выключен. По окончании импульса на выходе элемента 20 транзистор 28 выключается. В

В режиме непрерывных токов дроссе-15 результате меняется полярность напряU.I

определяется выраже1„

в могде

Im

г. жения на обмотках трансформатора 27 и транзистор 26 переходит в проводящее состояние. Транзистор 26 удерживается во включенном состоянии за в мо 20 счет положительной обратной связи по току, образованной соответствующим включением обмоток трансформатора

значение тока дросселя

мент выключения регулятора;

значение тока дросселя в

момент включения регулятора. Селектор 19 и элемент 20 могут быть выполнены по схеме фиг.4, Селек- 25 Полярность напряжения на обмотках тор содержит нелинейную интегрирующую трансформатора 23 такая, что диод 24

(фиг.6, 1гг)

цепь из резистора 38, конденсатора 39, диода 40 и инвертора 41. Элемент временной задержки импульсов в простейшем случае может быть представлен обычной интегрирующей RC-цепью или выполнен в виде ждущего генератора (фиг.4), содержащего диодный ключ 42, инверторы 43 и 44, времязадающую цепь из конденсатора 45 и резистора 46, смещающего резистора 47.

На фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия селектора (фиг,4). При наличии на ее входе импульсов напряжения, длительность паузы между которыми меньше постоянной интегрирования Ј (определяется параметрами элементов 38 и 39), напряжение на выходе инвертора 41 близко к нулю и генератор находится в ждущем режиме (U6t)l( 0). Если пауза между импульсами на входе селектора превышает величину Ј , потенциал на выходе инвертора 41 увеличивается, диодный ключ 42 закрывается и генератор начинает вырабатывать импульсы с частотой, определяемой параметрами элементов 45-47. Стабилизирующий преобразователь работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения на силовой вход 18 (одновременно подается питающее напряжение на остальные элементы и узлы схемы)

30

оказывается заперт. Напряжение на выходе 3 по форме соответствует току Т2 . При достижении заданной ам35

40

плитуды тока I2i Im определяемой значением опорного напряжения источника 10, параметрами делителя 16, параметрами трансформатора 29 и номиналом резистора 30, на выходе компаратора 7 возникает положительный импульс напряжения (U7, фиг.6), который переводит триггер 6 л состояние О. При этом на прямом выходе триггера 6 устанавливается потенциал, близкий к нулю (U6, фиг.5),на инверсном - положительный потенциал, соответствующий логической 1. В результате этого включается транзистор 28 и обмотка 31 трансформатора 27 окаэыва45 ется шунтированной через транзистор 28 и диод 33. Ток в базе транзистора 26 пропадает и последний закрывается. Происходит отключение тока в обмотке 22 и запасенная в трансформаторе 23 энер50 гия через диод 24 поступает на выход 12. стабилизирующего преобразователя.

С момента установки триггера 6 в состояние О (t,,, фиг.6) происходит отключение коммутатора 37 и предвари55 тельно установленный в состояние О интегратор 11 начинает интегрировать выходное напряжение стабилизирующего преобразователя. Выходное напряжение интегратора Uц , фиг. 6) линейно умень

и по истечении временной задержки t (фиг.5) на выходе элемента 20 возникает запускающий импульс. Этот импульс, пройдя через элемент 5 поступает на управляющий вход 2. Транзистор 28 включается, возникает ток через резистор 32 и обмотку 31 трансформатора 27 тока. Полярность напряжения на обмотках трансформатора 27 при этом такая, что регулирующий транзистор 26 выключен. По окончании импульса на выходе элемента 20 транзистор 28 выключается. В

жения на обмотках трансформатора 27 и транзистор 26 переходит в проводящее состояние. Транзистор 26 удерживается во включенном состоянии за 20 счет положительной обратной связи по току, образованной соответствующим включением обмоток трансформатора

Полярность напряжения на обмотк трансформатора 23 такая, что диод

(фиг.6, 1гг)

0

оказывается заперт. Напряжение на выходе 3 по форме соответствует току Т2 . При достижении заданной ам5

0

плитуды тока I2i Im определяемой значением опорного напряжения источника 10, параметрами делителя 16, параметрами трансформатора 29 и номиналом резистора 30, на выходе компаратора 7 возникает положительный импульс напряжения (U7, фиг.6), который переводит триггер 6 л состояние О. При этом на прямом выходе триггера 6 устанавливается потенциал, близкий к нулю (U6, фиг.5),на инверсном - положительный потенциал, соответствующий логической 1. В результате этого включается транзистор 28 и обмотка 31 трансформатора 27 окаэыва5 ется шунтированной через транзистор 28 и диод 33. Ток в базе транзистора 26 пропадает и последний закрывается. Происходит отключение тока в обмотке 22 и запасенная в трансформаторе 23 энер0 гия через диод 24 поступает на выход 12. стабилизирующего преобразователя.

С момента установки триггера 6 в состояние О (t,,, фиг.6) происходит отключение коммутатора 37 и предвари5 тельно установленный в состояние О интегратор 11 начинает интегрировать выходное напряжение стабилизирующего преобразователя. Выходное напряжение интегратора Uц , фиг. 6) линейно уменьшается от нуля до некоторого отрицательного значения, определяемого источником 10 опорного напряжения,

8момент равенства выходного напряжения интегратора 11 и напряжения источника 10 срабатывает компаратор

9и на его выходе образуется положительный импульс (и„, фиг«6), который переводит триггер 6 в состояние 1. При этом на вход 13 интегратора 11 поступает логическая 1, включается коммутатор 37 и интегратор 11 устанавливается в состояние

. Одновременно на инверсном вьтхо- |де триггера 6 устанавливается потенциал, близкий к нулю, транзистор 28 запирается, включается транзистор 26, в обмотке 22 возникает нарастающий ток и таким образом периодически повторяются все описанные процес- сы, обеспечивающие коммутацию транзистора 26. В нормальном режиме работы преобразователя максимальная длительность выключенного состояния регулирующего элемента много меньше величины Ъ и поэтому элементы 19 и 20 на работу преобразователя влияния не оказывают.

Если выходное напряжение преобразователя несколько превышает заданное значение (в пределах допустимой нестабильности), выходное напряжение дифференциального усилителя 14 уменьшается и через диод 17 ограничивает напряжение на втором входе первого компаратора напряжения, В результате отключение транзистора 26 происходит при токе несколько меньшем значении 1, что обеспечивает стабилизацию выходного напряжения на заданном уроне, При малых нагрузках преобразователя, когда трансформатор 23 работает в режиме прерывистых токов, время выключенного состояния транзистора 26 (T-t, фиг.6) остается неизменным, так как зависит лишь от величины выходного напряжения преобразователя ,

Но сравнению с известными предлагаемый стабилизирующий преобразова- тель постоянного напряжения обладает более высоким К1Щ при малых токах нагрузки, имеет меньшие габариты и повышенную выходную мощность.

Повышение К1Щ преобразователя достигается тем, что частота коммутации регулирующего элемента сохраняется практически постоянной при уменьше

нии тока нагрузки вплоть до режима холостого хода. Уменьшение габаритов преобразователя и повышение его выходной мощности достигается за счет трапецеидальной формы токов, протекающих в силовых цепях узла преобразования (в отличие от треугольной формы в известных устройствах) .

I

Например, амплитудное значение

тока регулирующего транзистора (фиг,2) составляет

15

т т --- + Iffil-iS. .ЈЈ

-р.ср t

-о

0

5

0

5

0

45

50

55

где 1„ср среднее значение тока регулирующего транзистора, величина которого пропорциональна выходной мощности преобразователя,

Полагая, что Im имеет максимум при коэффициенте заполнения, близком к 0,5 (t4 «0,5T), а также принимая ul Im - I0- 0,21, получают I,

0S4.S Im (для известного I

Lp-cP

р.ср

0,25 Im), т.е. мощность нагрузки примерно в 1,8 раза больше, чем у преобразователей с треугольной формой токов регулирующего транзистора.

Формула изобретения

Устройство для управления стабилизирующим преобразователем постоянного напряжения, включающим узел преобразования постоянного напряжения в постоянное, состоящий из выпрямителя, выходного фильтра и ключевого регулирующего элемента, содержащее элемент ИЛИ, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу ключевого регулирующего элемента, первый вход подключен к инверсному выходу RS-триггера, первым входом подключенного к выходу первого компаратора напряжения, первый вход которого подключен к датчику тока ключевого регулирующего элемента, а второй вход - через делитель напряжения к источнику опорного напряжения, подключенному к одному из входов дифференциального усилителя, другим входом предназначенным для соединения с выходом стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения, выход дифференциального усилителя соединен с вторым входом первого компаратора

напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД при уменьшении тока нагрузки, уменьшения габаритов и повышения выходной мощности, оно снабжено интегратором, вторым компаратором напряжения, диодом, селектором максимальной длительности выключенного состояния ключевого регулирующего элемента и элемен- том временной задержки импульсов, причем второй вход RS-триггера подключен к выходу второго компаратора напряжения, первый вход которого соединен с источником опорного напря- жения, второй вход - с выходом инV

АС

л

Фиг.2

ФиЬ.Ь

тегратора, вход которого предназначе для соединения с выходом стабилизирующего преобразователя постоянного напряжения, вход установки нуля - с прямым выходом RS-триггера, выход элемента ИЛИ подключен к входу селектора максимальной деятельности выключенного состояния ключевого регулирующего элемента, выход которого через элемент временной задержки импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ, выход дифференциального усилителя подключен через диод к второму входу первого компаратора напряжения,

Основной М (Гг|Ј °

п

Выход

fcL.L

Фм.З

Ък

шиш

l/i

Л/Х

Фиг..5

Фиг. Ь