Преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1990 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры, в частности для питания узлов ЭВМ.

Цель изобретения - снижение уровня коммутационных помех.

На фиг.1 изображена схема преобразователя; на фиг.2 - возможный вариант выполнения дросселя; на фиг.З - зависимость индуктивности основной обмотки дросселя от ампервитков управляющей обмотки; на фиг.4 - временные диаграммы напряжений и токов.

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное (фиг.1) содержит двухтактный, например, мостовой последовательный резонансный инвертор 1 в составе дросселя 2 с основной моткой 3, расположенной на ферромагнитном магнитопроводе 4, конденсатор 5, выходной трансформатор 6, выпрямитель 7, нагрузку 8, ключевые элементы 9 - 12 и обратные диоды 13 - 16, Имеется также блок 17 управления в составе генератора 18 импульсов, триггера 19, логических элементов И 20 и 21, дифференциального усилителя 22 и источника 23 опорного напряжения,

В схему входят первый 24 и второй 25 компараторы, третий 26 и четвертый 27 логические элементы И, первый 28 и второй 29 логические элементы ИЛИ и трансформатор 30 тока. Дроссель 2 снабжен управляющей обмоткой 31.

В ряде случаев в преобразователе целесообразно использование блока 32 защиты в составе выпрямителя 33 и компаратора 34.

Преобразователь (фиг.1) работает следующим образом.

При поступлении очередного положительного импульса запуска E,g от выхода генератора 18, работающего

о:

сд оо

ND

160

при постоянной величине периода Т g , const следования импульсов, триггер 19 устанавливается в состояние логической единицы Е.д. на прямом выхо- де и в состояние логического нуля на инверсном выходе (фиг,4 а,6,в). Положительное напряжений Ej на выходе выпрямителя 33 и ыа инвертирующем входе компаратора 34 в этих условиях. меньше, чем положительное опорное напряжение Ejj источника 23 на неинвертирующем входе компаратора 34 и на третьих входах логического элементов

магнитопровода 4 и, как следствие, изменение индуктивности L обмотки 3

На фиг.З показана полученная экспериментально зависимость индуктивности Lj обмотки 3 от ампервитков обмотки 31, полученной дпя случая использования тороидально-броневого разъемного магнитопровода с наружным диаметром 21 мм и высотой 14 мм из феррита марки 1500НМ. Обмотка 3 со-г держит 20 витков, а обмотка 31 - 12 витков.

Таким образом, согласно фиг.З при

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры, в частности для питания узлов ЭВМ. Цель изобретения - снижение уровня коммутационных помех. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий резонансный инвертор в составе дросселя, конденсатора, трансформатора, диодов и ключевых элементов, введены компараторы, логические элементы И, логические элементы ИЛИ и трансформатор тока, а дроссель имеет регулируемую индуктивность. Стабилизация выходного напряжения преобразователя осуществляется путем изменения параметров резонансного контура за счет регулирования индуктивности дросселя.

20, 21, 26 и 27 существует напряжение 15 использовании управляющей обмотки 31,

логической единицы.

3 результате на всех трех входах логического элемента И 26 оказывается напряжение логической единицы (фиг, 4 г). В результате импульс Е,; 20 от выхода элемента 26 через элемент ИЛИ 28 поступает на затворы ключевых элементов в виде полевых транзисторов 10 и 11 и отпирает их. Логические элемен гы И 21 и 27 остаются заперты-,. 25 1, поскольку напряжение от инверсного выхода триггера 19, поступающее на юг. первые входа:, имеет уровень логического нуля. Как следствие, на выходе -логического элемента .ИЛИ 29 напряжение имеет уровень логического нуля и транзисторы 9 И 12 остаются запертыми. При этом через транзисторы 10 и 11, первичную обмотк трансформатора б, конденсатор 5, трансформатор 30 тока и основную обмотку 3 начинает протекать ток I- имею1ций форму положительного полупериода синусоиды (фиг,4 е), Дпительность Т/2 этого полупериода определяется параметрами последовательного резонансно- го контура, образованного индуктивностью Lg обмотки 3 дросселя 2 и емкостью С 5 конденсатора 5, Магнитопросодержащей, например, 2000 витков, можно обеспечить почти двукратное из менение индуктивности Lj (395 - 220 мкГн), если ток через обмотку 31 будет изменяться в пределах О - ЗмА. Такой ток вполне может обеспечить дифференциальный усилитель 22, выпол ненный например, на операционном, усилителе.

Одновременно на выходе трансформатора 30 тока появляется положитель ный импульс, совпадающий по форме с полупериодом тока Ij, поэтому на выходе компаратора 24 появляется поло- 2Q жительный импульс 3,4 / поступающий н второй вход логического элемента И 2 (фиг,4 ж). Этот импульс далее поступает через элемент lOTi 28 на затворы транзисторов 11 и 10. Они удержи вают ся под действием импульса Eg в открытом состоянии после окончания импульсов запуска и Egg до тех пор пока ток Ij, пройдя через максимум, не обратится в нуль (фиг,4 а,г,е,ж).

40

В этот момент импульс Е закончится и транзисторы 10 и 11 запираются.

При поступлении следующего импуль са запуска . спустя время Т , больщее, чем длительность Т/2 полупевод 4 дросселя 2 имеет тороидально- риода тока Ij,триггер 19 перебрасы- броневую форму (фиг.2) причем во вается в состояние, когда напряжение

Е,

внутренней кольцевой полости тороида расположена основная обмотка 3, а управляющая обмотка 31 расположена по окружности внешней поверхности тороида. Магнитные поля обмоток 3 и 31 при этом ортогональны (т.е. вааимно перпендикулярны) , что обеспечивает практическое отсутствие связи между обмотками по переменному току,

Изменение постоянного тока через обмотку 31 вызывает соответствующее изменение магнитной проницательности

50

19 г ° инверсном выходе приобретает уровень-логической едннии;ы (фиг.4 а,в,е). При этом отпирается логический элемент И 27 и через него и элемент 29 на затворы транзисторов 9 и 12 поступает импульс 27 (фиг,4д) Теперь ток Ij начинает протекать через транзистор 9, обмотку 3 дросселя 2, трансформатор 30 тока, первичную обмотку трансформатора 6 и транзистор 12; направление его обратно направлению в предыдущем.цикле (фиг.4 е), Элементы 26 и 28, а также транзисто05

содержащей, например, 2000 витков, можно обеспечить почти двукратное изменение индуктивности Lj (395 - 220 мкГн), если ток через обмотку 31 будет изменяться в пределах О - ЗмА. Такой ток вполне может обеспечить дифференциальный усилитель 22, выполненный например, на операционном, усилителе.

Одновременно на выходе трансформатора 30 тока появляется положительный импульс, совпадающий по форме с полупериодом тока Ij, поэтому на выходе компаратора 24 появляется поло- Q жительный импульс 3,4 / поступающий на второй вход логического элемента И 20 (фиг,4 ж). Этот импульс далее поступает через элемент lOTi 28 на затворы транзисторов 11 и 10. Они удержи вают- ся под действием импульса Eg в открытом состоянии после окончания импульсов запуска и Egg до тех пор, пока ток Ij, пройдя через максимум, не обратится в нуль (фиг,4 а,г,е,ж).

0

В этот момент импульс Е закончится и транзисторы 10 и 11 запираются.

При поступлении следующего импульса запуска . спустя время Т , больщее, чем длительность Т/2 полупе риода тока Ij,триггер 19 перебрасы- вается в состояние, когда напряжение

Е,

0

19 г ° инверсном выходе приобретает уровень-логической едннии;ы (фиг.4 а,в,е). При этом отпирается логический элемент И 27 и через него и элемент 29 на затворы транзисторов 9 и 12 поступает импульс 27 (фиг,4д). Теперь ток Ij начинает протекать через транзистор 9, обмотку 3 дросселя 2, трансформатор 30 тока, первичную обмотку трансформатора 6 и транзистор 12; направление его обратно направлению в предыдущем.цикле (фиг.4 е), Элементы 26 и 28, а также транзисто16053026

дов тока 1з и как следствие, к уменьшению 1с.р и выходного напряжений

ка Ij, поступающего на инвертирующий Е, Этот процесс будет происходить вход компаратора 25, на его выходе

ры 10 и 1 остаются запертыми. Под действием отрицательного импульса то25

появляется положительный импульс Е под действием которого отпирается логический элемент И 21 (фиг.4 г). Импульс Е 22 через логические элементы 21 и 29 поступает на затворы транзисторов 9 и 12, благодаря чему они удерживаются в открытом состоянии после окончания импульсов запуска и как было описано выше. Транзисторы 9 и 12 остаются в проводящем состоянии аналогично предыдущему в течение длительности отрицательного полупериода тока 1 и импульса Е 25 после чего они выключаются (фиг.4е,з).

Итак, включение и выключение элементов (транзисторов 10, 11 и 9, 12) происходит в моменты перехода тока Ij через нуль, что позволяет предельно уменьшить уровень коммутационных помех. Ис-

тех пор, пока напряжение Е-, вновь

7

до

не станет равным заданному номиналу. Процесс коммутации транзисторов 9-12 по-прежнему будет происходить в моменты перехода тока Ij через нуль. Q Таким образом, процесс стабилизации выходного напряжения не будет сопровождаться возрастанием уровня коммутационных помех.

При возникновении токовой пере- JJ грузки напряжение на выходе трансформатора 30 тока и, следовательно, на выходе выпрямителя 33 и и;а инвертирующем входе компаратора 34 становится больше, чем опорное напряжение ис- 20 точника 23 на неинвертирующем входе. В результате напряжение на выходе компаратора 34 и на всех третьих входах логических элементов И 20,21,26 и 27 обращается в нуль. Поэтому укаПри возникновении токовой пере- JJ грузки напряжение на выходе трансформатора 30 тока и, следовательно, на выходе выпрямителя 33 и и;а инвертирующем входе компаратора 34 становится больше, чем опорное напряжение ис- 20 точника 23 на неинвертирующем входе. В результате напряжение на выходе компаратора 34 и на всех третьих входах логических элементов И 20,21,26 и 27 обращается в нуль. Поэтому укаключение сквозных токов через транзисто-25 занные логические элементы запирают- ры 9 - 12 при этом обеспечивается .ся. Как следствие, переходит в запери

благодаря наличию .11

гарантированной

паузы при соблюдении временного соотношения Т13 Т/2.

Среднее значение 1ср тока Iз (а следовательно, и напряжение Е на выт ходе выпрямителя 7, т.е.- напряжение на выходе преобразователя) определяется из соотношения

30

тое состояние и ключевые элементы 9- 12. В результате протекание тока Ij прекращается, чем и достигается за.щи- та и нвертора. Повторное включение происходит автоматически после того, как разрядится емкость фильтра в выпрямителе 33. Для защиты элементов инвертора от перенапряжений, которые могут возникнуть на конденсаторе 5 при токовых перегрузках, может быть использован двухсторонний ограничитель 35 амплитуды на стабилитронах.

I - Г .

--,- S1 18 J

sinQdt

1зТ

f гр

U 1

18

где Q - L5Cj - круговая частота.

Отсюда следует, что величина 1ср линейно зависит при const от длительности Т/2 полупериодов тока Ij, которая в свою очередь зависит от индуктивности Lj обмотки 3 дросселя 2,

Стабилизация выходного напряжения

40

тое состояние и ключевые элементы 9- 12. В результате протекание тока Ij прекращается, чем и достигается за.щи та и нвертора. Повторное включение происходит автоматически после того, как разрядится емкость фильтра в выпрямителе 33. Для защиты элементов инвертора от перенапряжений, которые могут возникнуть на конденсаторе 5 при токовых перегрузках, может быть использован двухсторонний ограничитель 35 амплитуды на стабилитронах.

Формула изобретен и .я

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий двухтактный резонансный инвертор в составе дросселя, конденсатора, выходноЕ преобразователя осуществляется еле-45 го трансформатора, выпрямителя и клюДУЮ1ЦИМ образом. Напряжение Е-. сравнивается в дифференциальном усилителе 22 с опорным напряжением от источника 23. Выходное напряжение усилителя 22 содержит таким образом информацию об отклонении величины Еу от заданного номинала. Если,- например, напряжение Е. начинает возрастать, то и напряжение на выходе усилителя 22 также на- чинает возрастать, а ток через обмотку 31 увеличивается. Согласно графику фиг.З индуктивность Ьз Р этом будет уменьшаться, что припедет к уменьшению длительности Т/2 полупериочевых элементов, а также блок управления в составе генератора импульсов, триггера, двух логических элементов И и дифференциального ycил fтeля, к

50 одному входу которого подключен выход выпрямителя, а к другому входу - источник опорного напряжения, к выходу генератора импульсов подключен вход триггера, прямой и инверсный вы55 ходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго логических элементов И, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения уровня коммз тацион {ых помех.

Е, Этот процесс будет происходить

тех пор, пока напряжение Е-, вновь

7

до

не станет равным заданному номиналу. Процесс коммутации транзисторов 9-12 по-прежнему будет происходить в моменты перехода тока Ij через нуль. Q Таким образом, процесс стабилизации выходного напряжения не будет сопровождаться возрастанием уровня коммутационных помех.

При возникновении токовой пере- JJ грузки напряжение на выходе трансформатора 30 тока и, следовательно, на выходе выпрямителя 33 и и;а инвертирующем входе компаратора 34 становится больше, чем опорное напряжение ис- 20 точника 23 на неинвертирующем входе. В результате напряжение на выходе компаратора 34 и на всех третьих входах логических элементов И 20,21,26 и 27 обращается в нуль. Поэтому ука25 занные логические элементы запирают- ся. Как следствие, переходит в запери

30

35

40

тое состояние и ключевые элементы 9- 12. В результате протекание тока Ij прекращается, чем и достигается за.щи та и нвертора. Повторное включение происходит автоматически после того, как разрядится емкость фильтра в выпрямителе 33. Для защиты элементов инвертора от перенапряжений, которые могут возникнуть на конденсаторе 5 при токовых перегрузках, может быть использован двухсторонний ограничитель 35 амплитуды на стабилитронах.

Формула изобретен и .я

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий двухтактный резонансный инвертор в составе дросселя, конденсатора, выходно45 го трансформатора, выпрямителя и ключевых элементов, а также блок управления в составе генератора импульсов, триггера, двух логических элементов И и дифференциального ycил fтeля, к

50 одному входу которого подключен выход выпрямителя, а к другому входу - источник опорного напряжения, к выходу генератора импульсов подключен вход триггера, прямой и инверсный вы55 ходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго логических элементов И, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью снижения уровня коммз тацион {ых помех.

в него введены первый и второй компа раторы, третий и четвертый логические элементы Н, а также первый и второй логические элементы ИЛР1 и трансформатор тока, причем дроссель снабжен управляющей обмоткой, расположенной на магнитопроводе в плоскости, пер- пендикулярной плоскости расположения основной обмотки, причем управляющая обмотка подключена к выходу дифференциального усилителя, первичная обмотка трансформатора тока включена последовательно с основной обмоткой дросселя, а к первому выводу вторич- ной обмотки трансформатора тока, второй вывод которой подключен к общей шине, подключены соответственно неинвертирующий .и инвертирующий входы первого и второго компараторов, ин- вертирующий и неинвертирующий входы

которых соединены с общей шиной, к выходам упомянутых компараторов под- ключены вторые входы соответственно первого и второго логических элементов И, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого и второго логических элементов ИЛИ выходы которых связаны с управляющими входами соответствующих ключе.вых элементов, выход генератора импульсов подключен к соединенным между собой первым входам соответственно третьего и четвертого логических элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, при этом выходы третьего и четвертого логических элементов И подключены к вторым входам соответственно первого и второго логических элементов ИЛИ.

200

0.5 Фиг. 5

Фиг.г

схи