Импульсный стабилизатор переменного напряжения Советский патент 1990 года по МПК G05F1/44 

о о

05 00

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - увеличение КПД за счет уменьшения динамических потерь на ключевых элементах. Стабилизация выходного напряжения осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностью импульса одновибратора 11 и паузы генератора 9 широтно-импульсного модулятора 7. Длительность импульсов одновибратора 11 определяется сигналом, поступающим от блока 6 сравнения, входом подключенного к выходным выводам стабилизатора. Ключевые элементы 2, 3 и 4 включены так, что ток через них приблизительно равен току нагрузки 8, а напряжение на закрытых ключевых элементах 2 и 3 приблизительно равно напряжению нагрузки 8. В зависимости от знака отклонения выходного напряжения от наминального значения осуществляется коммутация ключевых элементов 2, 4 или 3, 4. Динамические потери на ключевых элементах 2, 3 и 4 при переключении снижены, что и обеспечивает повышение КПД. 2 ил.

Фаг..2

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам регулирования электрических величин и может быть использовано, например для питания радиоэлектронной аппаратуры.

Целью изобретения является увеличение КПД за счет уменьшения динамических потерь на ключевых элементах.

На фиг.1 представлена схема импульсного стабилизатора переменного напряжения; .на фиг. 2 - схема широт- но-импульсного модулятора с подключенным к нему блоком сравнения.

Стабилизатор ((|)иг.1) содержит дроссель 1, первый 2, второй 3 и третий 4 ключевые элементы, конденсатор 5, подключенный к выходным выводам, блок 6 сравнения, подключенный входо к конденсатору 5, а выходом - к входу широтно-импульсного модулятора 7. Нагрузка 8 подключена к выходным выводам. ,

Широтно-импульсный модулятор 7 (фиг.2) содержит генератор 9, прямой выход которого через дифференцирующую цепочку 10 соединен с запускающим входом одновибратора 11 с регулируемой длительностью импульса, и логические ячейки И 12 и 13 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 14 с гальванически развязанными ( например, с помощью оптро- нов) выходами, которые являются соответственно первым, вторым и третьим выходами широтно-импульсного модулятора 7. Входы логических ячеек И 12 и 13 соединены соответственно с прямыми и инверсными выходами генератора 9 и одновибратора 11, а входы, ло- гической ячейки 14 подключены к прямому выходу генератора 9 и инверсному выходу одновибратора 11,управляю- щий вход которого является входом

широтно-импульсного .модулятора. Бы-

ходы логических ячеек 12 - 14 подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам широтно- импульсного модулятора.

Блок 6 сравнения содержит датчик 15 амплитуды выходного напряжения . и регулируемый источник 16 напряжения, включенный, например, на диЛсЬе- ренциальном усилителе, один из входов которого соединен с источником опорного напряжения, а другой - с выходом датчика 15.

Первые выводы первого 2 и второго 3 ключевых элементов соединены

с О

с

п

5

соответственно с первыми выходным и входным выводами, а вторые выводы - соответственно с вторыми входным и выходным выводами, между которыми включен дроссель 1. Третий ключевой элемент 4 включен между первыми входным и выходным выводами. Первый,второй и третий выходы широтно-импульсного модулятора 7 подключены соответственно к управляющим входам первого 2, второго 3 и третьего 4 ключевых элементов. Ключевые элементы 2-4 выполнены двухполярными например, в виде транзистора,включенного в диагональ выпрямительного моста.

Стабилизатор работает следующим образом.

Частота переключения ключевых элементов во много раз превышает частоту сети, причем при напряжении сети выше номинального ключевой элемент 3 всегда закрыт. При этом блок 6 сравнения и широтно-импульсный модулятор 7 обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов 2 и 4. В момент открытого состояния ключевого элемента 4 дроссель 1 и конденсатор 5 накапливают энергию. При закрывании ключевого элемента 4 открывается ключевой элемент 2 и дроссель 1 разряжается на нагрузку .8. Следова- тель но, в момент паузы напряжение на нагрузке 3 поддерживается за счет энергии в конденсаторе 5 и дросселе 1 .

I

3 результате такого преобразования на входе фильтра, образованного дросселем 1 и конденсатором 5,появляются импульсы напряжения с огибающей синусоидальной формы с частотой сети. Высокочастотные составляющие этого напряжения отфильтровываются дросселем 1 и конденсатором 5, поэтому На выходе стабилизатора появляется напряжение с частотой сети.

Амплитуда выходного напряжения определяется скважностью работы клю- чевог.о элемента 2. В режиме стабилизации длительность импульсов тока через открытый ключевой элемент 2 регулируется автоматически блоком 6 сравнения и широтно-импульсным модулятором 7. При этом на нагрузке 8. поддер-. живается напряжение с постоянной амплитудой.

При напряжении сети меньше номинального блок 6 сравнения, воздействуя на широтно-импульсный модулятор 7, обеспечивает попеременное открывание ключевых элементов 4 и 3 и закрытое состояние ключевого элемента 2. При открытом ключевом элементе 3 происходит накопление энергии в дроссе- ше 1. При закрывании ключевого элемента 3 широтно-импульсный модулятор , 7 Обеспечивает открывание ключевого элемента 4, разряд дросселя 1 в нагрузку 8 и накопление энергии в конденсаторе 5.

При закрывании ключевого элемента 4 конденсатор 5 начинает разряжаться через нагрузку 8, а дроссель 1 через открытый ключевой элемент 3 вновь начинает накапливать энергию. В результате этого на выходе стабилиодновибратора 11 и на выходе доги кой ячейки.12, на входы которой п даются сигналы с прямых выходов г нератора 9 и одновибратора 11,пери дически появляется напряжение логи кой единицы. Длительность импульсо напряжения на выходе логической яч ки 12 равна разности длительностей импульса одновибратора П и паузы нератора 9. На выходе логической ячейки 13 при таких условиях посто но поддерживается напряжение логич кого нуля, а на выходе логической ячейки 14 напряжение логической ед ницы проявляется во время паузы на выходе логической ячейки 12,

Если длительность паузы генерат ра 9 больше, чем длительность импу

10

15

:оТ-г :/:гг--- -

той сети. Величина этого напряжения определяется скважностью импульсов тока через ключевой элемент 3. Постоянная амплитуда на выходе стабили- затора поддерживается автоматически блоком 6 сравнения и широтно-импульс- ным модулятором 7, которые регулируют длительность импульсов тока через ключевой элемент 3.

Блок 6.сравнения работает следующим образом.

Напряжение с выхода стабилизатора поступает на вход датчика 15 ампли-. туды выходного напряжения, а с его выхода сигнал, пропорциональньй амплитуде выходного напряжения, поступает на управляющий вход регулируемого источника 16 напряжения, в котором происходит сравнение величины управляющего напряжения с эталонным, а его выходное напряжение линейно зависит от разности этих напряжений. Это напряжение поступает на вход широтно- импульсного модулятора 7 и управляет его работой.

Широтно-импульсный модулятор 7 работает следующим образом.

Напряжение с выхода -блока. 6 сравнения поступает на управляющий вход одновибратора I Г с регулируемой длительностью импульса, запуск которого осуществляется по заднему фронту импульса генератора 9 дифференцирующей цепочкой 10. При этом, если длительность паузы генератора 9 мень- - ше, чем длительность импульса одно- вибратора П длясигналов, снимаемых с их прямых выходов, происходит перекрытие импульсов генератора 9 и

30

огической единицы периодически по вляется на выходе ячейки 13. Дли- ельность импульсов на ее выходе ра на разности длительностей паузы ген 5 ратора 9 и импульса одновибратора 1 При этом на выходе логической ячейк 12 постоянно поддерживается нулевой логический уровень, а логические уровни сигналов на выходе ячейки 14

противоположны логическим уровням н выходе ячейки 13.

Таким образом, меняя длительност импульсов одновибратора I1, можно осуществлять стабилизацию выходного 35 напряжения, сделав уровень логической единицы лапряжением, открывающим ключевые элементы. При этом, если напряжение сети больше номинального длительность импульса одновибратора 1I больше длительности паузы генератора 9. и, следовательно, ключевой

40

элемент 3 постоянно закрыт, а ключевые элементы 2 и 4 периодически переключаются.

45 При напряжении сети ниже номинального длительность импульсов одновибратора 1 становится меньше длительности паузы генератора 9 и в результате этого- ключевой элемент 2 50 постоянно закрыт, а ключевые элементы 3 и 4 периодически переключаются.

Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностью импульса одновиб- 55 ратора 11 -и паузы генератора 9.

Динамические потери на ключевых элементах при переключении,которые пропорциональны произведению напряжения на ключевом элементе в закры, 601608 6

одновибратора 11 и на выходе догичес- кой ячейки.12, на входы которой подаются сигналы с прямых выходов генератора 9 и одновибратора 11,периодически появляется напряжение логической единицы. Длительность импульсов напряжения на выходе логической ячейки 12 равна разности длительностей импульса одновибратора П и паузы генератора 9. На выходе логической ячейки 13 при таких условиях постоянно поддерживается напряжение логического нуля, а на выходе логической ячейки 14 напряжение логической единицы проявляется во время паузы на выходе логической ячейки 12,

Если длительность паузы генератора 9 больше, чем длительность импуль10

15

-

-

30

огической единицы периодически по- вляется на выходе ячейки 13. Дли- ельность импульсов на ее выходе равна разности длительностей паузы гене- 5 ратора 9 и импульса одновибратора 11. При этом на выходе логической ячейки 12 постоянно поддерживается нулевой логический уровень, а логические уровни сигналов на выходе ячейки 14

противоположны логическим уровням на выходе ячейки 13.

Таким образом, меняя длительность импульсов одновибратора I1, можно осуществлять стабилизацию выходного 35 напряжения, сделав уровень логической единицы лапряжением, открывающим ключевые элементы. При этом, если напряжение сети больше номинального длительность импульса одновибратора . 1I больше длительности паузы генератора 9. и, следовательно, ключевой

0

элемент 3 постоянно закрыт, а ключевые элементы 2 и 4 периодически переключаются.

5 При напряжении сети ниже номинального длительность импульсов одновибратора 1 становится меньше длительности паузы генератора 9 и в результате этого- ключевой элемент 2 0 постоянно закрыт, а ключевые элементы 3 и 4 периодически переключаются.

Стабилизация осуществляется автоматически изменением соотношения между длительностью импульса одновиб- 5 ратора 11 -и паузы генератора 9.

Динамические потери на ключевых элементах при переключении,которые пропорциональны произведению напряжения на ключевом элементе в закрытом состоянии на ток через этот ключевой элемент н открытом состоянии, приблизительно вдвое меньше в предлагаемом стабилизаторе, чем в прототипе при прочих равных условиях. Поэтому КПД предлагаемой схемы шыше. Кроме того, в прототипе возмож- ,иы выбросы напряжения на ключевых Элементах во время переходного про- ijiecca из-за влияния индуктивностей рассеивания полуобмоток дросселя -1 йри переключении ключевых элементов. Это также снижает КПД прототипа, а также его надежность вследствие возможности появления перенапряжения на слючевых элементах. Такой недостаток Отсутствует в предлагаемой схеме, так как дроссель в ней имеет одну обмотку.

Таким образом, в предлагаемом уст- (зойстве КПД повышен за счет меньших Динамических потерь на ключевых элементах.

Формула изобретения

i Импульсный стабилизатор переменно- jro напряжения, содержащий первый, второй и третий ключевые элементы, дроссель, конденсатор, подключенный К выходным выводам, блок сравнения, подключенный входом к конденсатору, а выходом - к входу широтно-импульс- Ного модулятора, состоящего из генератора, прямой выход которого через

.

1

Редактор О.Юрковецкая

Составитель А.Волкова Техред М, Ходаиич

Заказ 3270

Тираж 651

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ТКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

диффс ренцирующую цепочку соединен с запускаю)дим входом одновибратора с регулируемой длительностью импульса, управляющий вход которого подключен к входу широтно-имлульсного модулятора, двух логических 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 шиpoтнo-и myльcнpгo модулятора,логической ячейки ИСКЛСЧАЮШЕЕ ИШ, входы

которой соединены с прямым выходом генератора и инверсным выходом одно- вибратора, а выход - с третьим выходом широтно-импульсного модулятора, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и. третьего ключевых элементов, причем первые выводы первого и второго ключевых элементов соединены соответственно с первым выходным и первым - входным выводами, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД за счет уменьшения динамических потерь на ключевых элементах,- дроссель включен между вторыми входным и выходным выводами, которые соединены с вторыми выводами соответственно первого и второго ключевых элементов, а третий ключевой элемент

включен между первыми входным и выходным выводами.

Корректор А.Осауленко

Подписное