Импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1991 года по МПК G05F1/573 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Целью изобретения является упрощение и повышение надежности импульсного стабилизатора постоянного напря- жения.

Принципиальная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения представлена на чертеже.

Стабилизатор содержит выводы 1,2 для подключения источника нестабилизированного питающего напряжения, источник 3 опорного напряжения, компаратор 4, резисторы 5,6,7,8,9,10,11, силовой ключ, включающий в себя усилительный и силовой транзисторы 1/,13, датчик тока на транзисторе 14 и резисторах 15,16, диоды 17,18, конденсатор 19, LCD-фильтр ЛО, выходные выводы 21, 22, резистор 23.

Точка соединения эмиттера транзистора 14 и первого вывода резистора 15 является первым силовым выводом датчика тока. Точка соединения резисторов 15 и 16 является вторым силовым выводом датчика тока. Коллек- ,тор транзистора 14 является информационным выходом датчика тока.

В импульсном стабилизаторе напряжения транзисторы 12 и 13 могут использоваться либо полевые, либо обычные биполярные. В первом случае силовыми их выводами являются сток и исток, а управляющим выводом - затвор, во втором случае силовыми выводами транзисторов являются эмиттер и коллектор, а управляюп(им - база.

В данной схеме используются биполярные транзисторы.

с о о

о к

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

Нестабилизированное напряжение от источника питающего напряжения подводится к выводам 1 и 2. Это напряжение больше выходного стабилизированного напряжения на 5-20В.

Рассмотрим работу стабилизатора при отсутствии резистора 23, т.е. когда его сопротивление равно бесконечности.

Величина сопротивления резистора 7 выбрана много меньшей сопротивления резистора 5. Поэтому напряжение на прямом входе компаратора 4 практически равно напряжению на выходном выводе 21 .

Источник 3 опорного напряжения соз дает на своем выходе стабильное напряжение малой мощности, которое подается на инверсный вход компаратора 4.

При подаче напряжения на входные выводы 1,2 в первый момент времени напряжение на выходном выводе 21 и прямом входе компаратора 4 равно нулю и на инверсном входе компаратора оно равно напряжению на открытом диоде 18 поэтому на выходе компаратора 4 имеется нулевой логический уровень.

Через переход база-эмиттер транзистора 12, резистор 9 и вход компаратора 4 течет ток и транзистор 12 находится в открытом состоянии. Ток коллектора транзистора 12 является базо- вым током силового транзистора 13, поэтому последний также открыт.

В результате через резистор 15, переход коллектор-эмиттер силового транзистора 13, дроссель фильтра 20 протекает1 ток, который заряжает конденсатор фильтра 20 и напряжение на выходном выводе 21 и прямом входе компаратора 4 возрастает. Когда выходное напряжение стабилизатора сравняется с выходным напряжением источника 3 опорного напряжения, срабатывает компаратор 4 и на его выходе появляется высокое напряжение, которое закрывает транзистор 12. Ток через пе- реход эмиттер-коллектор от транзистора 12 прекращается, в результате закрывается и силовой транзистор 13, При этом в нагрузку через выходные выводы 21 и 22 начинает отдаваться энергия, накопленная в дросселе и конденсаторе фильтра 20. Напряжение на выходных аыводах 21, 22 начинает.

Q

д 5

5

0

40

45

55

падать. Когда выходное напряжение стабилизатора на них станет меньше, чем на выходе источника опорного напряжения, компаратор 4 срабатывает и на его выходе опять появляется логический ноль. Транзисторы 12 и 13 открываются и все процессы повторяются, как описано выше.

При этом диод 18 закрыт, так как компаратор 4 срабатывает при уменьшении напряжения на выходных выводах 21, 22 на 5-20 мВ. А для открывания диода 18 необходимо, чтобы напряжение на выходных выводах 21,22 уменьшилось на 300-400 мВ.

Таким образом на выходных вьюодах поддерживается напряжение, равное выходному напряжению источника опорного напряжения. С помощью резистора 5 осуществляется положительная обратная связь компаратора 4. Эта связь улучшает процессы переключения компаратора 4 и исключает переход его в линейный режим или режим высокочастотных колебаний. Величина сопротивления резистора 5 выбирается такой, чтобы в результате увеличения зоны нечувствительности компаратора 4 амплитуда пульсации выходного стабилизированного напряжения на выводах 21, 22 не превышала допустимой величины.

Резистор 15 низкоомный, величина его сопротивления R, выбрана такой, что при номинальном токе нагрузки падение напряжения на нем недостаточно для открывания транзистора 14, а при достижении током нагрузки максимально допустимой величины, падение напряжения на резисторе 15 достигает порога включения транзистора 14, т.е.

R

К«5 Т

ewx. макс

где U j .. - напряжение перехода база - эмиттер транзистора 14 в открытом состоянии;I ..„ Ал-i/r максимально допустимый

ОР Д

выходной ток стабилизатора.

Таким образом, при достижении значением выходного тока стабилизатора максимально допустимой величины открывается транзистор 14, при этом конденсатор 19 заряжается до напряжения большего, чем напряжение на выходном выводе 21, и диод 17 открывается . Это повышенное напряжение через резистор 6 подается на прямой вход

компаратора 4, в результате последний переключается в единичное состояние и транзисторы 17., 13 закрываются. Ток через резистор 15 прекращается и транзистор 14 также закрывается. Но компаратор 4 продолжает удерживаться в единичном состоянии за счет энергии, накопленной в конденсаторе 19.

Напряжение на выходных выводах 21, 22 при этом уменьшается до нуля. Лиод 18 открывается и напряжение на инверсном входе компаратора 4 уменьшается и становится равным падению напряжения на открытом диоде 18. Конденсатор 19 разряжается через диод 17, резисторы 6,7, а также через резистор 10. Напряжение на конденсаторе 19, а следовательно, и на прямом входе компаратора 4 уменьшается. Когда напряжение на прямом входе компаратора 4 станет равным напряжению на инверсном входе, т.е. падению напряжения на открытом диоде 18, компаратор 4 переключается в нулевое состояние.

Благодаря этому открываются транзисторы 12,13. Через резистор 15 и переход коллектор-эмиттер силового транзистора 13 начинает протекать ток. Благодаря наличию дросселя в фильтре 20 этот ток плавно увеличивается. 1:адение напряжения на резисторе 15 увеличивается. И если ток на выходе стабилизатора достигает максимальной величины, то падение напряжения на резисторе 15 увеличивается настолько, что опять открывается транзистор 14, что приводит к заряду конденсатора 19 и выключению транзисторов 12 и 13. Затем все процессы повторяются, как описано выше. Таким образом производится ограничение выходного тока стабилизатора.

Включение датчика тока в разрыв цепи между эмиттером транзистора 12 и коллектором транзистора 13 уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером силового транзистора 13, когда последний находится в открытом состоянии. При этом напряжение UK3 открытого силового транзистора 13 равно

икэ(ь Ufois+Uiotz идг где U j. - напряжение база-эмиттер транзистора 13 в режиме насыщения; и к э напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора 1 2 в режиме насыщения;

. . 20 5

о .0

5

5

0

5

U. - напряжение между силовьвчи выводами датчика тока при протекании через него тока .

При использовании в качестве датчика тока резистора 15

UAT U 5 I«5 R 5.

где U). - падение напряжения на резисторе 15;

I ,У - ток, протекающий через резистор 15;

R ,5- - величина сопротивления резистора 15.

-.Так как ток коллектора силового транзистора 13 приблизительно равен току его эмиттера, то ток через резистор 15 приблизительно равен выходному току стабилизатора.

Уменьшение напряжения на силовом транзисторе 13, когда последний находится в открытом состоянии, на величину 11дт уменьшает мощность, рассеиваемую на этом транзисторе, что приводит к экономии металла, из которого изготавливается теплоотвод силового транзистора 13(и к повышению надежности.

Если на выходных выводах 21, 22 стабилизатора необходимо получить стабилизированное напряжение большее, чем выходное напряжение источника 3 опорного напряжения, то устанавливается резистор 23. При этом резисторы 23 и 7 образуют делитель напряжения.

При этом на выходных выводах Л 1,22 стабилизатора будет поддерживаться такое яапряжение, при котором напряжение на резисторе 23 будет равно напряжению на выходе источника 3 опор-ч ного напряжения. При этом диод 18 заперт разностью потенциалов между выводом 21 и выходом источника 3 опорного напряжения. В остальном стабилизатор работает точно так же, как и при отсутствии резистора 23.

Величины сопротивления резисторов 8 и 9 определяются типом используемого транзистора 12 и выходными характеристиками компаратора 4. Так, если транзистор 12 - полевой или компаратор 4 имеет большое выходное сопротивление, то его выход может непосредственно подключаться к базе либо затвору транзистора 12. При этом резисторы 8 и 9 могут отсутствовать, т.е. сопротивление резистора 9, равно нулю. Если прямой вход компаратора 4 может пыдерживать входное напряжение, поступающее на вывод ., то катод диода 17 может быть i соединен непосредственно к прямому входу компаратора 4, т.е. резистор 6 также может быть исключен.

Упрощение схемы стабилизатора позволяет снизить его стоимость.

Повышение надежности стабилизатора, достигаемое путем его упроще- ния, введения задиты от перегрузок и снижения рассеиваемой мощности на силовом транзисторе, уменьшает затраты на эксплуатацию стабилизатора и увеличивает срок его службы.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий силовой ключ, включающий в себя силовой и усилительные транзисторы, LCD-фильтр, вход которого соединен с выходом силового ключа, а выход подключен к первому, выходному выводу, датчик тока, первый резистор, источник опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, в него введены второй и третий резисторы, два диода, конденсатор и компаратор, при этом выход источника опорного напряжения

78

соединен с анодом первого диода и с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к первым выводам первого и второго резисторов и к цепи катода второго диода, выход компаратора соединен с вторым выводом первого резистора и с цепью управляющего вывода усилительного транзистора первый силовой вывод которого соединен с первым входным выводом и с первым силовым выводом датчика тока, второй силовой вывод которого подключен к первому силовому выводу силового транзистора, второй силовой вывод усилительного транзистора соединен с управляющим выводом силового транзистора, второй силовой вывод которого использован в качестве выхода силового ключа, информационный выход датчика тока подключен к аноду второго диода и к первым выводам конденсатора и третьего резистора, вто- рой вывод второго резистора подключен к первому выходному выводу, к выходу LCD-фильтра и к катоду первого диода, вторые выводы конденсатора и третьего резистора соединены с общей шиной, с вторыми входным и выходным выводами и с выводами для подключения к общей шине источника опорного напряжения и LCD-фильтра.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Цель - упрощение и повышение надежности. Устр-во содержит силовой ключ на транзисторах 12,13, датчик тока на резисторах 15, 16 и транзисторе 14, LCD-фильтр 20, компаратор 4, диоды 17,18, конденсатор 19, источник 3 опорного напряжения и резисторы 5-11. Включение датчика тока между эмиттером транзистора 12 и коллектором транзистора 13 уменьшает напряжение на коллектор-эмиттерной цепи транзистора 13, когда он открыт. Производится также ограничение выходного тока устр-ва при его довольно простой схеме. 1 ил. с (О