Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M3/335 

о о

со

00

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

Целью изобретения является повышение надежности путем упрощения схемы однотактного преобразователя постоянного напряжения.

На фиг. 1 приведена электрическая схе- ма преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений на элементах однотактного преобразователя постоянного напряжения.

Однотактный преобразователь посто- янного напряжения содержит силовой транзистор 1, коллектор которого через первичную обмотку трансформатора 2 соединен с вторым входным выводом, а эмиттер - с первым входным выводом, а также с эмиттером шунтирующего транзистора 3, катодом защитного диода 4 и концом базовой обмотки трансформатора 2. Начало этой обмотки подключено к анодам первого 5 и третьего 6 диодов, катоду запирающего 7 диода и первого вывода разрядного рези- стора 8. Второй вывод резистора 8 соединен с катодами четвертого 9 и второго 10 диодов. Анод второго 10 диода подключен к эмиттеру транзистора 3 и одному из выво- дов формирующего конденсатора 11, другой вывод которого соединен с анодом четвертого диода 9, катодом первого стабилитрона 12, а также через токозадающий резистор 13 с катодом третьего диода 6. Анод первого стабилитрона 12 подключен к базе транзистора 3, коллектор которого соединен с базой силового транзистора 1, катодом защитного диода 4, через ограничивающий резистор 14 с выходом по- рогового ключа 15, через базовый резистор 16с катодом первого диода 5, через запирающий резистор 17 с анодом запирающего диода 7. Вход порогового ключа 15 подключен к точке соединения времязадающего конденсатора 18 и времязадающего резистора 19, где другой конец конденсатора 18 подключен к эмиттеру транзистора 1 и аноду второго стабилитрона 20. Катод стабилитрона 20 через дифференциальный резистор 21 соединен с точкой соединения другого вывода резистора 19 и одного из выводов стабилизирующего резистора 22.

Пороговый ключ 15 состоит из последовательного транзистора 23, эмиттер когоро- го присоединен к входу ключа 15 и соединен с катодом третьего стабилитрона 24, подключенного к базе включающего транзистора 25, эмиттер которого соединен с эмиттером силового транзистора 1. Коллектор транзистора 25 через включающий резистор 26 подключен к базе последовательного транзистора 23, коллектор которого через последовательную цепь, удерживающий резистор 27 и диод 28 соединен с базой транзистора 25. Одновременно с этим коллектор транзистора 23 прмсоединен к выходу порогового ключа 15 и через ограничивающий резистор 14 к базе силового транзистора 1.

На временных диаграммах фиг.2 приведены эпюры напряжения 29 на времязада- ющем конденсаторе 18; напряжения 30 на выходе порогового ключа 15; напряжения 31 на базовой обмотке силового трансформатора 2; напряжения 32 на формирующем конденсаторе 11; напряжения 33 база эмит- терного перехода силового транзистора 1; тока 34 коллектора силового транзистора 1; напряжения 35 базаэмиттерного перехода шунтирующего транзистора 3.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.

Рассмотрим работу преобразователя в установившемся режиме, когда на выходе преобразователя имеется выходное напряжение. Сначала примем, что стабилитрон 20 и резисторы 21 и 22 отсутствуют. При этом времязадающий конденсатор 18 заряжается от входного источника через времязадающий резистор 19.

При наличии входного напряжения конденсатор 18 заряжается через резистор 19, напряжение на нем увеличивается (эпюра 29 фиг.2). Когда напряжение на конденсаторе 18 достигнет напряжения включения стабилитрона 24 порогового ключа 15, появляется базовый ток включающего транзистора 25, он открывается. Вследствие этого включается последовательный транзистор 23 ключа 15 и конденсатор 18 форсированно разряжается через ограничивающий резистор 14 в базу силового транзистора 1. Для удержания во включенном состоянии последовательного транзистора 23 служит удерживающая цепь, состоящая из резистора 27 и диода 28, которая поддерживает в открытом состоянии транзистор 25 до полного разряда конденсатора 18. После разряда конденсатор 18 транзисторы 25 и 23 запираются. Начинается повторный заряд вре- мязающего конденсатора 18 до напряжения включения порогового ключа 15 (эпюра 29 фиг.2) и далее рассмотренные процессы повторяются. Таким образом, на выходе порогового ключа 15 образуются короткие импульсы (эпюра 30 фиг,2). Эти импульсы, следующие с периодом Т, определяющим частоту преобразования однотактного преобразователя, открывают на короткое время силовой транзистор 1. Длительность импульсов должна быть достаточна для открывания транзистора 1, появления его коллекторного тока и появления напряжения положительной полярности на базовой обмотке силового трансформатора 2.

При открывании транзистора 1 импульсом с выхода порогового ключа 15 появляется положительное напряжение на базовой обмотке трансформатора 2 (эпюра 31 фиг.2). Это напряжение через диод 5 и резистор 16 образует базовый открывающий ток силового транзистора 1, чем обеспечивается его открытое и насыщенное состояние и после окончания импульса напряжения порогового ключа 15.

С появлением напряжения на базовой обмотке через резистор 13 начинает заряжаться формирующий конденсатор 11 (эпюра 32 фиг.2). До тех пор, пока напряжение на нем не достигнет напряжения включения стабилитрона 12, шунтирующий транзистор 3 заперт и не влияет на работу силового транзистора 1. В это время транзистор 1 открыт. Когда напряжение на конденсаторе 11 увеличится до напряжения включения стабилитрона 12, появляется ток базы шунтирующего транзистора 3, он включается, шунтирует базаэмиттерный переход сило- чого транзистора 1. Если сопротивление открытого и насыщенного транзистора 3 достаточно мало, то после его включения начинается формированное рассасывание заряда из полупроводниковой структуры транзистора 1. Длительность времени рассасывания обозначена tp (фиг.2).

Когда рассасывание заряда заканчивается, силовой транзистор 1 запирается, напряжение на обмотке уменьшается до нуля и сменяет свою полярность. Вследствие этого диоды 5 и 6 запираются, одновременно с этим запирается и шунтирующий транзистор 3. Следовательно, транзистор 3 открыт и шунтирует базу силового транзистора 1 только на время рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры транзистора 1. После запирания транзистора 1, когда напряжение на базовой обмотке примет отрицательную полярность, отрицательное напряжение на его базаэмиттерном переходе обеспечивается протеканием тока по резистору 17 и диоду 7. Величина отрицательного напряжения равна падению напряжения на диоде 4.

После запирания транзистора 1 и смены полярности напряжения на базовой обмотке ранее запертый диод 9 отпирается и конденсатор 11 через резистор 8 разряжается. Для исключения перезаряда конденсатора 11 до обратного напряжения базовой обмотки имеется диод 10, ограничивающий напряжение перезаряда падением напряжения на этом диоде.

Таким образом, за время tu формирующий конденсатор 11 заряжается, во время tp, когда стабилитрон 12 и базаэмиттерный переход транзистора 3 включены и проводят, напряжение на конденсаторе 11 при0 близительно остается неизменным, а за время t2 этот конденсатор должен успеть разрядиться.

Далее транзистор 1 остается запертым до Тех пор, пока не появится следующий

5 импульс с выхода порогового ключа 15, открывающий его форсированным импульсом разряда времязадающего конденсатора 18. И далее процессы повторяются аналогично. Таким образом, включение силового тран0 зистора 1 происходит после включения порогового ключа 15, а выключение - после включения шунтирующего транзистора 3. Длительность включенного состояния транзистора 1 равна ti tM + tp, а период частоты

5 преобразования определяется постоянной времени заряда времязадающего конденсатора 18 и равен Т.

Выходное напряжение однотактного преобразователя с обратным включением

0 выпрямительного диода определяется DH Enti/nt2, где и - коэффициент трансформации первичной и вторичной обмоток трансформатора 2. Так как базовая обмотка трансформатора 2 включена в прямом на5 правлении относительно коллекторной обмотки, напряжение на ней пропорционально входному питающему напряжению Еп. Тогда, так как заряд формирующего напряжения происходит от базовой обмотки в

0 режиме включенного состояния транзистора 1, длительность его заряда обратно пропорциональна величине входного напряжения. Если принять, что время tp пренебрежимо мало, то длительность ц об5 ратно пропорциональна входному напряжению. Следовательно, в этом случае выходное напряжение не зависит от входного напряжения. Однако это справедливо только при постоянной величине длительно0 сти t2. Но в данном случае t2 также зависит от входного напряжения Причем эта зависимость такова, что с увеличением входного напряжения происходит уменьшение выходного напряжения. Для обеспечения

5 свойств параметрической стабилизации выходного напряжения необходимо, чтобы время t2 не зависело от входного напряжения. В схеме фиг.1 это достигается введением стабилитрона 20, который выполняет роль стабилизатора напряхения, заряжающего времязадающий конденсатор 18. Это обеспечивает независимость угла наклона кривой напряжения заряда этого конденсатора при изменении входного напряжения, следовательно, однотактный преобразователь имеет свойство параметрической стабилизации выходного напряжения при изменении входного.

Однако стабильность выходного напряжения преобразователя со стабилитроном 20 недостаточно высота. Это обусловлено следующим. Для уменьшения мощности потерь преобразователя обычно стремятся, чтобы напряжение базовой обмотки трансформатора 2 было минимально возможным, достаточным для создания гарантированного значения тока базы силового транзистора во всем диапазоне температур и напряжений. Поэтому кривая напряжения заряда конденсатора 11 имеет нелинейную форму, близкую к экспоненциальной. Вследствие этого нарушается обратная пропорциональность между изменением входного напряжения и получаемой длительностью ti. Определенной компенсации этой нелинейности можно достигнуть введением параметрической зависимости длительности t2 при изменении входного напряжения. Это достигается изменением периода Т, что практически может быть выполнено введением последовательно со стабилитроном 20 дифференциального резистора, выполняющего роль увеличения дифференциального резистора, выполняющего роль увеличения дифференциального сопротивления стабилитрона 20. Это приводит к появлению функциональной зависимости периода Т от входного напряжения. Подбором величины резистора 21 можно обеспечить требуемую стабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения.

Следовательно, в однотактном преобразователе постоянного напряжения, предназначенном для получения выходных напряжений с гальванической развязкой, обеспечивается существенное упрощение схемы, исчезает необходимость в дополнительном источнике питания для узла управления, в устройстве гальванической развязки для передачи управляющего сигнала, уменьшается количество элементов, повышается надежность устройства.

Формула изобретения

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, эмиттер которого подключен к первому входному выводу, а коллектор соединен с вторым входным выводом через первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого соединена через

выпрямитель с выводами конденсатора фильтра, присоединенного к выходным выводам, базовая обмотка трансформатора соединена первым выводом через последовательную цепь из первого диода и базового резистора с базой силового транзистора, а вторым выводом через последовательную цепь из разрядного резистора и второго диода - с первым входным выводом, шунтирующий транзистор, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к базе и эмиттеру силового транзистора, а база соединена через первый стабилитрон и то- козадающий резистор с первым выводом

третьего диода, последовательная цепь из стабилизирующего и дифференциального резисторов, а также второго стабилитрона, включенная между вторым и первым входными выводами, пороговый ключ, вход которого шунтирован времязадающим конденсатором, включенный между первым входным выводом и первым выводом время- задающего резистора, формирующий конденсатор,ограничивающий резистор,

последовательная цепь из запирающего резистора и диода, четвертый и защитный диоды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем упрощения

схемы, защитный диод включен между эмиттером и базой силового транзистора, соединенной через ограничивающий резистор с выходом порогового ключа и через последовательную цепь из запирающего резистора и диода с первым выводом базовой обмотки,

к которому подключен второй вывод третьего диода, при этиом формирующий конден- сатор включен между эмиттером шунтирующего транзистора и точкой соединения первого стабилитрона и токозадающего резистора, соединенный через четвертый диод с точкой соединения разрядного резистора и второго диода, кроме того, второй вывод времязадающего резистора присоединен к точке соединения стабилизирующего и дифференциального резисторов.

2. Преобразователь по п.1, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что пороговый ключ состоит

из последовательного транзистора, эмиттер которого присоединен к входу порогового ключа, коллектор - к выходу, а база соединена через включающий резистор с коллектором включающего транзистора, эмиттер

которого подключен к общему выводу порогового ключа, а база соединена через последовательную цепь из удерживающего резистора и диода с выходом порогового ключа и через третий стабилитрон с входом порогового ключа.

35

Изобретение относится к электротехнике и м. б. использовано при проектировании вторичных источников питания. Цель - повышение надежности путем упрощения схемы однотактного преобразователя постоянного напряжения. Устр-во содержит силовой транзистор 1, через первичную обмотку трансформатора 2 подсоединенный к входным выводам. При отпирании транзистора 1 его базовый ток формируется напряжением на базовой обмотке трансформатора 2. Когда напряжение на формирующем конденсаторе 13 увеличивается до напряжения пробоя стабилитрона 12, то включается шунтирующий транзистор 3, шунтирующий вход транзистора 1, запирание которого происходит форсированно. После запирания транзистора 1 диод 9 отпирается и конденсатор 11 через резистор 8 разряжается. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.