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

О

ON V| ГО

О VI

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

Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора.

На фиг.1 приведена блок-схема преобразователя; на фиг.2 - схемы блоков преобразователя, пример исполнения; на фиг.З - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу преобразователя.

Однотактный преобразователь (фиг.1) содержит многообмоточный дроссель (силовой трансформатор) 1. первичная оомотка 1.1 которого с конденсатором 2 образует резонансный контур, подключенный одним выводом к положительному входному выводу преобразователя, а другим через первичную обмотку 3.1 трансформатора 3 тока, связанный с коллектором переключающего транзистора 4. причем эта связь может быть реализована непосредственно или через диод (показан пунктиром). Эмиттер-коллекторный переход транзистора 4 зашунтиро- ван обратно включенным диодом 5, а между базой и эмиттером включен первый резистор 6.

Вторичные обмотки 1.2-1.4 трансформатора (их может быть несколько) соедлне ны через выпрямители 7 с емкостными фильтрами 8. С выходной обмоткой 1.4 соединен вход узла 9 сравнения, выполненного с гальванической развязкой выхода. Выход узла 9 соединен непосредственно или через нелинейный элемент 10 (показан пунктиром) с входом управления узла 11 выключения.

Пусковой узел 12 включен между входными выводами преобразователя и может быть реализован в виде последовательной цепочки из конденсатора и резистора, включенной между входом и выходом узла запуска, а их общая точка через диод соединена с общим выводом узла, подключенным к отрицательному зажиму.

Выход пускового узла 12 соединен с первым входом 13 узла 14 ограничения тока. Второй вход узла 14 соединен с промежуточным отводом вторичной обмотки 3.2 трансформатора 3 тока, а его выход через вспомогательную обмотку 1.5 силового трансформатора 14 - с базой силового транзистора 4. Один крайний вывод вторичной обмотки 3,2 трансформатора 3 тока соединен с силовым входом узла 8 выключения. Другой вывод обмотки 3.2 и общие выводы узлов 9,11 и 12 соединены с отрицательным входным выводом преобразователя.

Преобразователь с неуправляемым запуском (фиг.1) используют в случаях, когда

нагрузки преобразователя не боятся кратковременного перенапряжения в процессе пуска, а сам преобразователь (его силовой тра.нзистор) имеет достаточный дополнительный запас по напряжению.

На фиг.2 показан управляемый пусковой узел 12, который представляет собой последовательную цепочку из первого конденсатора 15, второго резистора 16 и стаби0 литрона 17. Конденсатор 15 вторым выводом подсоединен к плюсовому выводу, а стабилитрон 17 - к входу 13 узла 14 ограничения тока. Общая точка конденсатора 15 и резистора 16 через обратно включенный

5 диод 18 соединена с общим выводом узла. С общим выводом также соединен эмиттер вспомогательного транзистора 19, коллектор которого подсоединен к общей точке резистора 16 и стабилитрона 17. База-эмит0 терный переход транзистора 19 зашунтиро- ван вторым конденсатором 20. База транзистора 19 через третий резистор 21 соединена с входом управления пускового узла 12.

5 Представленный на фиг.2 узел 14 ограничения тока 14 состоит из коммутирующего транзистора 22, включенного по схеме с общей базой, диода 23 в цепи его коллектора, последовательной RC-цепочки 24-25,

0 включенной между свободным выводом диода 23 и базой транзистора 22, и диода 26, шунтирующего база-эмиттерный переход транзистора 22 в обратном направлении, причем выходом узла является общая точка

5 коллекторного диода 23 и RC-цепочки 24-25, а управляющим входом - эмиттер транзистора 22, в цепь которого может быть включен резистор, показанный пунктиром. Входом запуска узла служит отвод от точки

0 соединения резистора 24 и конденсатора 25 RC-цепочки. База транзистора 22 соединена с общим выводом узла 14,

Узел 11 выключения (фиг.2) -одержит триггер на комплементарных транзисторах

5 26 и 27 с конденсаторами 28 и 29, включенными между эмиттером и базой транзисторов 26 и 27 соответственно, первый резистивный делитель 30-31 напряжений, подключенный крайними выводами к сило0 вым выводам триггера, а средним выводом - к базе транзистора 27. Кроме того, к базе транзистора 27 подсоединена последовательная RD-цепочка 32, свободный вывод которой предназначен для подключения

5 указанным образом к выходу узла 9. Силовой вывод транзистора 26 соединен с сило- вым входом узла, подключаемым к соответствующему крайнему выводу обмотки 3.2. Силовой вывод транзистора 27 соединен с общим выводом узла, подключенным к отрицательному входному зажиму.

Узел 9 сравнения, показанный на фиг.2, выполнен по мостовой схеме, плечи которой образованы четвертым резистором 33, опорным элементом 34, база-эмиттерным переходом транзистора 35 и его база-коллекторной цепью с включенным в нее вторым резистивным делителем 36-37. Второй крайний вывод делителя 36-37 и свободный вывод опорного элемента 34 соединены в общий вывод узла сравнения. Средняя точка делителя 36-37 соединена с выходом узла, а диагональ моста (вывод резистора 33 - общий вывод узла)-с входом узла, который при этом подсоединен к выходу фильтра 8 трансформатора 1. В качестве опорного элемента может быть использован, например, стабилитрон. На фиг.2 представлен вариант выполнения опорного элемента 34 по схеме, обеспечивающей компаундирование и уменьшение пульсаций сетевой частоты, которая содержит стабилитрон 38, соединенный с эмиттером транзистора 39, последовательную RD-цепь 40, подключенную к базе транзистора 39, и параллельную RC- цепь 41-42, шунтирующую база-коллекторный переход транзистора 39. Вместо стабилитрона 38 может быть применен све- тодиод. Свободный вывод стабилитрона (светодиода) 38 служит входом опорного элемента, свободный вывод RD-цепи 40 соединен с входом управления узла 9, а коллектор транзистора 39 - с общим выводом узла 9. Нелинейный элемент 10 при этом реализуется в наиболее простом варианте (фиг.2) - на светодиоде, шунтирующем выход узла 9.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения (фиг.З, момент to) на коллекторе транзистора 4 появляется напряжение (фиг.За, сплошная линия), а на его базе (фиг.Зв) напряжение начинает линейно нарастать. Конденсатор 25 узла 14 заряжается от пускового узла 12. В момент ti напряжение на базе достигает порога открывания транзистора 4, замыкается петля положительной обратной связи по цели базовой обмотки 1.5 и транзистор 4 открывается. В его базе возникает импульс тока (фиг.Зв, пунктирная линия), определяемый перезарядом конденсатора 25 напряжением на обмотке 1.5 обратной связи (фиг.36). В цепи коллектора и в цепи базы через трансформатор 3 тока появляется линейно нарастающий ток (фиг.За, в, пунктирные линии). В момент t2 напряжение на обмотке трансформатора 3 тока достигает порога срабатывания триггера узла 11, последний

срабатывает, закорачивая обмотку 3.2, и ток базы спадает до нуля. В момент тз после завершения рассасывания зарядов в базе спадает коллек/орный ток, напряжение на 5 коллекторе начинает нарастать, а на базе уменьшается, а затем изменяет знак. Ток базы реверсируется, обеспечивая форси- ровку на закрывание транзистора 4, В момент t4 напряжение на коллекторе 10 достигает уровня напряжения питания, а на вторичных обмотках 1.2-1.5 проходит через нуль и изменяет знак, диоды 7 выпр мите- лей открываются и начинается заряд кон денсаторов 8 фильтров спадающим током

15 (t4-ts). Напряжение на базе в это время нарастает, в момент ts оно превышает порог срабатывания, транзистор 4 включается, и процесс повторяется цикл за циклом. При этом напряжение на конденсаторах 8 вы0 ходных фильтров на каждом такте увеличивается и в какой-то момент превышает напряжение питания (приведенное к вторичной обмотке) и приближается к напряжению стабилизации. Так как при Uewx Опит

5 напряжение на коллекторе спадает до нуля и дополнительная подпитка по базе транзистора 4 становится ненужной, по сигналу с выхода узла 9 сравнения (появление напряжений на выходе) открывается транзистор

0 19 пускового узла 12, шунтируя запускающий ток. При дальнейшем росте выходного напряжения и, соответственно, напряжения на выходе узла 9 открывается управляющий вход узла 11, повышается напряжение на

5 базе входного транзистора 27 триггера, что понижает его порог срабатывания, т.е уменьшает ток выключения транзистора 4. Выходное напряжение стабилизируется.

0 Резистор 6, шунтирующий база-эмит- терный переход транзистора 4, выполняет функции запирания этого транзистора в случае срыва генерации, а также обеспечивает режим генерации на холостом ходу.

5Нелинейный элемент 10, снижающий

усиление по контуру отрицательной обратной связи канала регулирования, повышает устойчивость работы на малых нагрузках и в режиме холостого хода (на грани полного

0 запирания узла 14). предотвращая переход преобразователя в режим генерации пачек импульсов, который увеличивает пульсации выходного напряжения.

Схема компаундирования (вольтодо5 бавки) в цепи стабилитрона 38 опорного элемента 34 увеличивает опорное напряжение узла 9 на величину напряжения на его конденсаторе 42, которое определяется амплитудой и длительностью импульсов базового, а следовательно, и коллекторного тока

транзистора 1. При увеличении нагрузки увеличиваются и длительность, и амплитуда импульсов тока, увеличивается напряжение вольтдобавки и соответственно возрастает задание, компенсируя как статизм регулятора, так и падение напряжения в цепях вторичных обмоток 1,2-1.4 и выпрямителей 7.

Кроме того, так как величина тока зависит и от входного напряжения, схема компаундирования по току нагрузки в опорном элементе 34 оказывается одновременно и элементом отрицательной обратной связи по входному напряжению, что повышает коэффициент стабилизации и уменьшает пульсации сетевой частоты на выходе в два-три раза.

Диод в цепи коллектора транзистора 4 предотвращает появление на коллекторе напряжения обратного знака при реверсе тока (фиг.За, установившийся режим) и не является обязательным, но его применение целесообразно при большом падении напряжения на шунтирующем диоде 5.

Выполнение узла 12 с управлением выключения позволяет обеспечить мощный за- пуск, необходимый при пуске преобразователя с полной нагрузкой, без возникновения перерегулирования, опасного как для приемников напряжения, так и для самого преобразования. Пропорциональное управление током базы обеспечивает уменьшение потерь и своевременное включение транзистора 4 (в момент реверса тока в контуре), а в сочетании с узлом 11 выключения по току - ограничение тока во всех режимах, в том числе и при запуске преобразователя, что повышает КПД и надежность преобразователя.

Формула изобретения 1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий силовой транзистор, подключенный эмиттером к первому входному выводу преобразователя, многообмоточный дроссель, первичная обмотка которого зашунтирована конденсатором и подключена первым выводом к второму входному выводу преобразователя, а вспомогательная обмотка соединена первым выводом с выходом узла ограничения тока, общий вывод которого соединен с первым входным выводом преобразователя, первый резистор, включенный между базой и эмитт&ром силового транзистора, пусковой узел, включенный между входными выводами преобразователя, узел сравнения, выход которого связан с управляющим входом узла выключения, при этом каждая вто- ричная обмотка многообмоточного дросселя через выпрямитель соединена с выхрдными выводами преобразователя,

шунтированными емкостным фильтром, к одним из которых подключен вход узла сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем

ограничения тока силового транзистора, введены первый диод и трансформатор тока, узел ограничения тока выполнен управляемым и соединен первым входом с выходом пускового узла, а вторым входом с промежуточным отводом вторичной обмотки трансформатора тока, узел выключения выполнен управляемым в функции тока силового транзистора и подключен силовым входом к первому крайнему выводу вторичной обмотки трансформатора тока, второй крайний вывод которой, а также общие выводы узла выключения и пускового узла под- ключены к первому входному выводу преобразователя, при этом второй вывод

вспомогательной обмотки многообмоточного дросселя соединен с базой силового транзистора, второй вывод первичной обмотки многообмоточного дросселя через первичную обмотку трансформатора тока

соединен с коллектором силового транзистора, зашунтированного обратно включенным первым диодом.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что связь управляющего входа

узла выключения с выходом узла сравнения выполнена через нелинейный элемент.

3.Преобразователь по п. 2. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в качестве нелинейного элемента использован светодиод, шунтирующий выход узла сравнения.

4.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем. что пусковой узел выполнен управляемым и соединен входом управления с выходом узла сравнения.

5. Преобразователь по п. 4, о т л и ч а ю- щ и и с я тем. что пусковой узел содержит цепочку последовательно соединенных первого конденсатора, второго резистора и стабилитрона, второй диод, подсоединенный

одним выводом к точке соединения первого вывода первого конденсатора и второго резистора, вспомогательный транзистор, подсоединенный коллектором к общей точке второго резистора и первого вывода стабилитрона, второй конденсатор и третий резистор, подсоединенные первыми выводами к базе вспомогательного транзистора, при этом вторые выводы второго диода, второго конденсатора и эмиттер вспомогательного

транзистора соединены с общим выводом пускового узла, вторые выводы первого конденсатора и третьего резистора соединены соответственно с вторым входным выводом преобразователя и входом управления пускового узла, а второй вывод стабилитрона

соединен с выходным выводом пускового узла.

6.Преобразователь по п. 1, о т л и ч э ю- щ и и с я тем, что узел ограничения тока содержит коммутирующий транзистор с обратным по отношению к силовому транзистору типом проводимости, третий диод, шунтирующий база-эмиттерный переход этого транзистора, четвертый диод, соединенный с коллектором транзистора, и последовательную RC-цепочку, при этом свободный вывод конденсатора RC-цепочки и база транзистора подключены к общему выводу узла, эмиттер коммутирующего транзистора непосредственно или через дополнительный резистор подключен к второму входу узла ограничения тока, а средняя точка RC-цепочки - к первому входу этого узпа, коллектор коммутирующего транзистора через четвертый диод соединен с резистором RC-цепочки и выходным выводом узла ограничения тока.

7.Преобразователь поп. 1, о т л и ч a torn, и и с я тем, что узел выключения содержит триггер на комплементарных транзисторах, первый резистивный делитель, крайними выводами подключенный к силовым выводам триггера, а средним выводом - к его управляющему входу, и последовательную RD-цепочку, подключенную одним выводом к этому же управляющему входу, а другим выводом - к управляющему входу узла вы ключения, один из силовых выводов триггера соединен с силовым входом узла, а другой силовой вывод - с общим выводом узла.

/ -.7

8 Преобразователь поп. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что узел сравнения содержит мостовую схему, плечи которой образованы четвертым резистором, опорным элементом, база-эмитгерным переходом дополнительного транзистора и его база-коллекторной цепью, в которую включен второй резистивный делитель, второй крайний вывод которого и свободный вывод опорного элемента соединены с общим выводом узла сравнения, средняя точка второго pejncTHBHoro делителя - с выходом узла сравнения, а входная диагональ моста - с входом узла сравнения.

9. Преобразователь по п. 8, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью обеспечения компаундирования и уменьшения пульсаций сетевой частоты, опорный элемент узла сравнения содержит стабилитрон и усилительный транзистор к базе которого подключена последовательная RD-цепь, а база-коллекторный переход зашунтирован параллельной RC-цепочкий, один вывод стабилитрона соединен с эмиттером усилительного транзистора, а другой - с входным выводом опорного элемента, коллектор усилительного транзистора соединен с общим выводом узла сравнения, предназначенным для подключения к первому крайнему выводу вторичной обмотки трансформатора тока

10 Преобразователь по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем. что в цепь коллектора силового транзистора включен согласно-последовательно блокирующий диод.

ka

Составитель В.Моин Техред М.Моргентал

Корректор Н.Король

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем ограничения тока силового транзистора. Преобразователь содержит силовой трансформатор 1, подключенный первичной обмоткой к входным выводам через трансформатор тока 3 и силовой транзистор 4. Силовой транзистор 4 выключается, когда его ток коллектора достигает определенного уровня, задаваемого узлом выключения 11. Сигнал управления узлом выключения 11 формируется в функции выходного напряжения преобразователя с помощью узла сравнения 9. Для выключения силового транзистора используется узел ограничения тока 13, включенный в цепь обмотки положительной обратной связи 1, 5 силового трансформатора 1. Пусковой узел 12, воздействуя на узел ограничения тока 13, обеспечивает ограничение тока силового транзистора и в процессе пуска. 9 з.п. ф-лы. 3 ил.