Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1990 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Цель изобретения - повышение КПД.

На фиг.1 и 2 приведены электрические схемы однотактного преобразователя постоянного напряжения; на фиг.З - схема электрического блока Управления; на фиг.4 - диаграммы на- г}ряжений и токов.

Однотактный преобразователь по- с|тоянного напряжения в постоянное Додержит силовой транзистор 1, кол- Лектор которого через первичную обмотку 2 трансформатора 3 тока и первичную обмотку 4 силового трансформатора 5 соединен с первым входным выводом, пусковой резистор 6 и конденсатор 7, шунтированный разрядным транзистором 8, включающий 9 и выключающий 10 транзисторы, соединенные соответственно с включающей 11 и выключающей 12 обмотками трансформатора 3 тока через включающий 13 И выключающий 14 диоды, дополнительный транзистор 15, соединенный через первый резистор 16 с вторичной обмот- 1(ой 17 синхронизирующего трансформатора 18, первичная обмотка которого 9 входит в блок 20 управления, Co- Единенный с дополнительной обмоткой . 21 силового трансформатора 4, вто10

15

20

25

30

46 к входу питания блока 20 управления, узел 47 сравнения, делитель 48 напряжения, регулятор 49 тока, диодный переключатель 50, четвертый 51, пятый 52, шестой 53, седьмой 54 тран зисторы, восьмой 55, девятый 56, десятый 57 и одиннадцатый 58 резисторы, стабилитрон 59, управляющий диод 60, источник 61 опорного напряжения и восьмой транзистор 62.

Однотактный преобразователь по- стоянного напряжения в постоянное работает следующим образом.

Предположим в момент времени tQ на питающие входы преобразователя по ступает первичное напряжение сети (см. временные диаграммы, фиг.4, эпю ра 63П). В соответствии с этим через пусковой резистор 6 начинает заряжаться времязадающий конденсатор 7, ранее разряженный до нуля, так как преобразователь был выключен. Конден сатор 7 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигает значения, равного напряжению включения нелинейного элемента 41 порогового ключа 27.

Как только напряжение на конденсаторе 7 достигает порога срабатывания порогового ключа 27 (64,фиг.4), нелинейньй элемент 41 начинает проводить ток, который открывает транзистор 37 порогового ключа 27. Вследствие этого появляется ограничиваричная обмотка 22 соединена через вы- 35 емый резистором 38 ток, который яв- прямительный диод 23 с выходными вы- ляется базовым током транзистора 36. Йодами и фильтрующим конденсатором Транзистор 36 отпирается, на его

0

5

0

5

0

46 к входу питания блока 20 управления, узел 47 сравнения, делитель 48 напряжения, регулятор 49 тока, диодный переключатель 50, четвертый 51, пятый 52, шестой 53, седьмой 54 транзисторы, восьмой 55, девятый 56, десятый 57 и одиннадцатый 58 резисторы, стабилитрон 59, управляющий диод 60, источник 61 опорного напряжения и восьмой транзистор 62.

Однотактный преобразователь по- стоянного напряжения в постоянное работает следующим образом.

Предположим в момент времени tQ на питающие входы преобразователя поступает первичное напряжение сети (см. временные диаграммы, фиг.4, эпюра 63П). В соответствии с этим через пусковой резистор 6 начинает заряжаться времязадающий конденсатор 7, ранее разряженный до нуля, так как преобразователь был выключен. Конденсатор 7 заряжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигает значения, равного напряжению включения нелинейного элемента 41 порогового ключа 27.

Как только напряжение на конденсаторе 7 достигает порога срабатывания порогового ключа 27 (64,фиг.4), нелинейньй элемент 41 начинает проводить ток, который открывает транзистор 37 порогового ключа 27. Вследствие этого появляется ограничива5 емый резистором 38 ток, который яв- ляется базовым током транзистора 36. Транзистор 36 отпирается, на его

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании вторичных источников питания. Цель - повышение КПД. Преобразователь содержит силовой транзистор 1, через первичные обмотки трансформатора тока 3 и силового трансформатора 5 подсоединенный к входным выводам. Пусковой резистор 6 и конденсатор 7, шунтированный разрядным тиристором 8, подсоединены через пороговый ключ 27 к базе силового транзистора 1. При появлении напряжения на выходе порогового ключа 27 открывается силовой транзистор 1. Этим же напряжением через цепь из диода 40 и резистора 39 насыщается транзистор 37. На всем этапе существования положительного напряжения на вторичной обмотке 17 трансформатора 18 силовой транзистор 1 открыт. Введение параметрической стабилизации дает возможность уменьшить коэффициент усиления замкнутой системы стабилизации. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

24, размагничивающую цепь из резистора 25 и диода 26, а также пороговый ключ 27, соединенный через ограничивающий резистор 28 с базой силового транзистора 1, второй резистор 29.

Однотактный преобразователь (фиг.2) дополнительно содержит третий 30, четвертый 31 и пятый 32 резисторы, а также первый 33, второй 34 и третий 35 транзисторы. Пороговый ключ 27 может быть выполнен в виде двух комплементарных транзисторов 36 и 37, соединенных между собой через шестой 38, седьмой 39 резисторы, первый диод 40 и нелинейный элемент 41, например стабилитрон.

Блок 20 управления (фиг„3) может

40

45

50

коллекторе появляется напряжение, которое является выходным напряжением порогового ключа 27 (65,фиг.4). Появление напряжения на выходе клю ча 27 приводит к тому, что в базу силового транзистора 1 начинает поступать прямой открывающий ток, ограничиваемый ограничивающим резистором 28. Транзистор 1 открывается и на вспомогательной обмотке 21 трансформатора 5 появляется напряжение, поступающее на питающие входы схемы 20 управления. От этого напряжения через диоды 42 и 46 начинают заряжаться времязадающий 44 и фильтрующий 43 конденсаторы. Фронт нарастания напряжения на конденсаторе 44

Содержать второй выпрямительный диод 5(68, фиг.4) существенно длинее, чем

42, фильтрующий 43 и времязадающийна конденсаторе 43 (67, фиг.4). Кон44 конденсаторы, стабилизатор 45 денсатор 43 заряжается существенно

тока, подключенный через токовый диодбыстро, так как на пути его заряд0

5

0

коллекторе появляется напряжение, которое является выходным напряжением порогового ключа 27 (65,фиг.4). Появление напряжения на выходе клю ча 27 приводит к тому, что в базу силового транзистора 1 начинает поступать прямой открывающий ток, ограничиваемый ограничивающим резистором 28. Транзистор 1 открывается и на вспомогательной обмотке 21 трансформатора 5 появляется напряжение, поступающее на питающие входы схемы 20 управления. От этого напряжения через диоды 42 и 46 начинают заряжаться времязадающий 44 и фильтрующий 43 конденсаторы. Фронт нарастания напряжения на конденсаторе 44

ного тока отсутствуют какие-либо значительные ограничивающие элементы Через время t8Kft появляется питающее напряжение блока управления и он готов к нормальной работе.

Появление напряжения на конденсаторе 43 приводит к тому, что открывается второй транзистор 52, так как транзистор 51 заперт вследствие не- достаточного напряжения на конденсаторе 44. Последний заряжается током, который задается стабилизатором 45 тока. Эпюра напряжения (68,фиг.4) показывает, что заряд его продолжается до значения, которое определяется напряжением включения стабилитрона 59. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе 44 не достигает значени включения стабилитрона 59, транзисто 51 закрыт, а транзистор 52 - открыт. По коллекторной цепи последнего идет коллекторный ток, определяемый величиной резистора 56, а базовый ток транзистора 52 зависит от величины резистора 55. Появляется напряжение на первичной обмотке 19 синхронизирующего трансформатора 18, которое вызывает появление напряжения и на вторичной обмотке 17.

Когда, вследствие появления выходного напряжения порогового ключа 27, открывается силовой транзистор 1, этим же выходным напряжением через цепь из диода 40 и резистора 39 насыщается транзистор 37. Поэтому разряд конденсатора 7 на базу транзистора 1 через ограничивающий резистор 29 не вызывает запирания транзистора 37 вследствие наличия тока через указанную цепь.

При появлении напряжения на вторичной обмотке 17 трансформатора 18 открывается включающий транзистор 9. В это же время в первичной обмотке 2 трансформатора 3 тока идет ток коллектора силового транзистора 1. Включение транзистора 9 приводит к тому, что появляется ток во включающей обмотке 11 трансформатора 3 тока, кото- рый, протекая по включающему диоду 13 и транзистору 9, вызывает появление дополнительного отпирающего базового тока транзистора 1, который протекает одновременно с током от порогового ключа 27.

Далее на всем этапе существования импульса положительного напряжения на вторичной обмотке 17 трансформато

ig jg 20 25 Q

0

.& n

5

5

ра 18 силовой транзистор 1 открыт (66, фиг.4) и его коллекторный ток протекает через первичную обмотку 4 силового трансформатора 5.

Длительность положительного импульса на обмотке 17 трансформатора 18 определяется временем достижения напряжением на конденсаторе блока управления (фиг.З) величины напряжения стабилизации стабилитрона 59. Как только включается стабилитрон 59, транзистор 51 открывается и закрывается транзистор 52, так как его ба- за-эмиттерный переход зашунтируется открытым транзистором 51.

Запирание транзистора 52 приводит к запиранию стабилизатора 45 тока и прекращению заряда конденсатора 44. Так как выходное напряжение мало, то выходное напряжение узла сравнения максимально. Это напряжение через делитель 48 напряжения прикладывается к входу регулятора 49 тока. При открытом транзисторе 52 вход регулято- ра 49 напряжения зашунтирован открытым диодом 60 и любое напряжение с выхода делителя 48 не влияет на регулятор 49 тока. С запиранием транзистора 52 запирается диод 60 и происходит разряд конденсатора 44 через регулятор 49. На базу транзистора 51 начинает поступать напряжение с второго входа диодного ключа 50.

Таким образом, после запирания транзистора 52 транзистор остается открытым независимо от величины напряжения на конденсаторе 44; открытое состояние его обеспечивается током, протекающим через резистор и диод диодного ключа 50.

Запирание транзистора 52 блока 20 управления обуславливает смену по- . лярности напряжения на вторичной обмотке 17 трансформатора 18. Обратная полярность напряжения на вторичной обмотке определяется, в значительной степени, током, накопленным в индуктивности намагничивания трансформатора 18. Вследствие появления обратной полярности напряжения на обмотке 17 трансформатора 18 форсированно запирается включающий транзистор 9. Одновременно с этим запирается дополнительный транзистор 15, который ранее был открыт положительным напряжением обмотки 17 через резистор 16. Если к этому времени импульс напряжения с выхода ключа 27

кончился, то запирание транзистора 9 приводит к прекращению прямого базового тока силового транзистора 1, открыванию выключающего транзистора 10 (так как закрылся дополнительный транзистор 9). Начинается форсированное рассасывание избыточных носителей из полупроводниковой структуры ранее насыщенного силового транзистора 1 (66, 69, фиг.4). После окончания процесса рассасывания силовой транзистор запирается и остается в этом состоянии до следующего прихода положительного импульса с вторичной обмотки 17 трансформатора 18.

Когда силовой транзистор открыт и когда он запирается в процессе рассасывания, на включающей обмотке 11 трансформатора 3 тока имеется напряжение, которое вызывает отпирание разрядного транзистора 8. Вследствие этого, ранее заряженный пусковой конденсатор 7 форсированно разряжается,,

Тем временем времязадающий конденсатор 44 блока 20 управления раз- ряжается через регулятор 49 тока в Он разряжается до тех пор, пока напряжение на нем не уменьшается до опорного напряжения источника 61 (68Э фиг.4). Когда напряжение на нем достигает величины опорного напряжения источника 61, открываются транзисторы 54 и 53. Отпирание транзистора 53 обуславливает открывание транзистора 62 базовым током, ограничиваемым резистором 57. Если ранее транзистор 51 был открыт гоком с второго выхода диодного ключа 50, то сейчас этот ток шунтируется открытием транзистором 62. Транзистор 51 запирается, а транзистор 52 отпирается. Открывание транзистора 52 приводит к появлению импульса положительного напряжения на вторичной обмотке 17 (69, фиг.4) трансформатора 18.

В этой обмотке начинает протекать ток, который, проходя через база- эмиттерный переход включающего транзистора 9, является одновременно и базовым током силового транзистора 1 Таким образом, величина резистора 56 блока 20 управления и коэффициент трансформации трансформатора 18 определяются тем, что синхронизирующий трансформатор 18 обеспечивает на сво0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ем выходе прямой открывающий ток силового транзистора 1 до тех пор, пока не вступает в действие положительная обратная связь обмоток 2 и 11 трансформатора 3 тока.

Таким образом, силовой транзистор 1 открывается, вступает в действие положительная обратная связь трансформатора тока через открытый включающий транзистор 9. Так как транзистор 52 блока 20 управления открывается, то открывается и стабилизатор 45 тока. Начинается заряд время- задающего конденсатора 44. Одновременно с этим, управляющий вход регулятора 45 тока оказывается зашунти- рованным открытым диодом 60. Ток через регулятор 45 тока прекращается и прекращается разряд этим током конденсатора 44. Транзистор 54 при этом запирается, так как напряжение на конденсаторе 44 становится больше, чем-напряжение источника 61 и запираются транзисторы 53 и 62. Открывается первый вход диодного ключа 509 а второй запирается, чем исключается протекание тока в базовую цепь запертого транзистора 51.

Транзистор 52 остается открытым до тех пор, пока напряжение на нем не достигает величины напряжения стабилитрона 59. Далее процессы повторяются аналогичным образом.

Дополнительные элементы, введенные в схему преобразователя (фиг.2), предназначены для следующей цели. Транзистор 34 осуществляет шунтирование база-эмиттерного перехода силового транзистора 1 достаточно малым сопротивлением для протекания обратных токов силового транзистора 1„ При поступлении положительного импульса с вторичной обмотки 1 трансформатора 18 появляется базовый ток транзистора 33, ограничиваемый резистором 31, он открывается и запирает транзистор 34, чем исключается влияние этого транзистора на протекание прямого базового тока транзистора 1. Этим достигается шунтирование база-эмиттерного перехода силового транзистора 1 в требуемые момен- ( ты времени его запертого состояния, которое необходимо не только в интервалах между импульсами-тока коллектора, но и в дежурном режиме работы, когда при наличии первичного напряжения преобразователь не работает по внешней команде.

Запрещающий транзистор 35 включается после того, как появляется положительный импульс с вторичной обмотки 17 синхронизирующего трансформатора 18, т.е. тогда, когда импульса прямого базового тока от порогового ключа уже не требуется. Запрещение этого импульса необходимо для повышения надежности работы силового транзистора 1 в пусковом режиме. Это требуется для того,чтобы исключить увеличение длительно- сти импульса коллекторного тока свыше требуемой, когда может произойти насыщение магнитопровода силового трансформатора 5.

Блок 20 управления с накапливающи и токовым диодами 42 и 46 потребляет ток во время открытого состояния силового транзистора 1. Эта вторичная часть преобразователя является схемой с прямым включением диода, что дает возможность использовать такой блок управления в режиме прерывистых токов однотактного преобразователя с большей надежностью работы, так как в транзисторе всегда имеется начальный ток, заряжающий накопительный конденсатор. Кроме того, в блоке 20 управления ток заряда конденсатора 44 прямо пропорционально зависит от напряжения питания первич ной сети, так как вспомогательная обмотка 21 трансформатора 5 включена в режиме прямого включения и напряжение на ней непосредственно зависит от напряжения питания. Следо- вательно, длительность заряда конденсатора 44 увеличивается (или уменьшается) с уменьшением (или увеличением) напряжения первичной сети и имеется параметрическая стабили- зация выходного напряжения.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается повышение энергетической эффективности, увеличение надежности работы как за счет уменьшения мощности, рассеиваемой элементами, так и за счет ограничения токов, протекающих через силовой транзистор. Кроме того,надежность повышается за счет улучшения условий обеспечения устойчивости, так как введение параметрической стабилизации дает возможность уменьшить коэффициент усиления замкнутой системы стабилизации.выходного напряжения однотактного преобразователя.

Формула изобретения

из комплементарных транзисторов.

ным выводам блока управления, а выход - к входу делителя напряжения, выход которого присоединен к входу

регулятора тока и через управляющий диод к входу стабилизатора тока и к выходу диодного первключателя,вход питания которого подключен к точке соединения фильтрующего конденсато- ра-и первого вывода выпрямительного диода, второй вывод которого подсоединен к входу питания блока управления и первому выводу токового диода, второй вывод которого соеди5 нен через стабилизатор тока с время- задаюшим конденсатором, шунтированным регулятором тока, четвертого транзистора, база которого присоединена к выходу диодного переключателя

0 и через стабилитрон к точке соединения стабилизатора тока и времяза- дающего конденсатора, а коллектор и эмиттер, соответственно, - к базе и эмиттеру пятого транзистора, кол5 лектор которого соединен с входом стабилизатора тока и через восьмой резистор - с первым выводом первичной обмотки синхронизирующего трансформатора, вторичная обмотка кото0 рого подключена к выходу блока управления, а второй вывод первичной обмотки присоединен к точке соединения выпрямительного диода и фильтрующего конденсатора, а также к баs эе пятого транзистора через девятый резистор и непосредственно к эмиттеру шестого транзистора, база которого через десятый резистор соединена с коллектором седьмого транзистора,

о подключенного базой к источнику опорного напряжения, а эмиттером к точке соединения стабилизатора тока и вре- мяэадающего конденсатора, восьмого транзистора, шунтирующего база-эмит5 терный переход четвертого транзистора, подключенного через одиннадцатый резистор к коллектору шестого транзистора.

sPfe

г .1

«

€

Ki

S

S

UX

л

а

АЭГ

t3

ЧЛ UJ

о

-С- 4D

о

т

bJ4 AJ AAhJLjЈr

Г

аа

ГГ

10

дзиеЛ