Импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1991 года по МПК G05F1/56 

О

XJ

о о

XI

о

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Целью изобретения является упрощение при одновременном снижении массы, объема и стоимости. Полупроводниковый ключ 1 формирует на входе фильтра последовательность прямоугольных импульсов, постоянная составляющая которых не зависит от величины входного напряжения. Вход фильтра зашунтирован цепочкой из диода 5 и индуктивного элемента 6, проводящей ток дросселя 3 фильтра на интервале запертого состояния полупроводникового ключа 1. Индуктивный элемент 6 в момент включения полупроводникового ключа 1 уменьшает "сквозной" ток, обусловленный инерционностью диода 5. Обмотки дросселя 3 и индуктивного элемента 6 конструктивно выполнены на общем магнитопроводе, причем магнитные потоки, образованные этими обмотками, ортогональны. 3 ил.

Фиг.1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может быть использовано для питания электрорадиоустройств.

Цель изобретения является упрощение при одновременном снижении массы, объема и стоимости.

На фиг.1 приведена функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения; на фиг.2 - вариант конструкции объединенного мэгнитопровода стабилизатора с использованием в качестве обмотки вспомогательной индуктивности крепежной шпильки; на фиг.З - то же, вариант с дополнительной обмоткой.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения (фиг.1) содержит полупроводниковый ключ 1, подсоединенный между одним из питающих выводов 2 стабилизатора и общей точки соединения дросселя 3 с одним из выводов цепочки 4, состоящей из последовательно соединенных диода 5 и индуктивного элемента 6, второй питающий вывод 7 стабилизатора подключен к общей точке соединения второго вывода диодно- индуктивной цепочки 4 и первого вывода конденсатора 8, подсоединенного вторым выводом к второму выводу дросселя 3, при этом выводы 9 и 10 конденсатора 8 подсоединены к выходным выводам стабилизатора и подключены через блок 11 управления к управляющему входу полупроводникового ключа. Дроссель 3 и индуктивный элемент 6 выполнены в виде двух обмоток на одном магнитопроводе, при этом первая обмотка - основная - выполняет функции дросселя 3, а вторая обмотка - вспомогательная -функции индуктивного элемента 6 и расположена на магнитопроводе с ориентацией магнитной оси обмотки в плоскости, ортогональной магнитной оси первой обмотки дросселя 3. В качестве одного из возможных вариантов реализации блок 11 управления выполнен в виде последовательно включенных регулятора 12. компаратора 13 и разделительного трансформатора 14, соединенного вторичной обмоткой с управляющим входом полупроводникового ключа 1, второй вход компаратора 13 соединен с выходом генератора 15 пилообразного напряжения, один из входов регулятора 12 соединен с источником 16 опорного напряжения, а другой вход -- с выходом стабилизатора.

По первому варианту конструктивного выполнения дросселя (фиг.2) дроссель содержит магнитный сердечник, состоящий из двух ферритовых чашек 17, внутри сердечника расположена основная обмотка 18 дросселя, в крепежном отверстии чашек 17

находится металлическая шпилька 19, на обеих концах которой находятся шайбы 20. 21. пружинные шайбы 22 23. гайки 24, 25 и лепестки 26. отходящие от которых провода

27 использованы в качестве вспомогательной обмотки 6 дросселя.

По второму варианту конструктивного выполнения дросселя (фиг.З) дроссель содержит магнитный сердечник, состоящий из

двух ферритовых чашек 28, внутри сердечника находится основная обмотка 29, в крепежном отверстии чашек 28 находится шпилька 30. имеющая сквозное осевое отверстие, на обеих сторонах которой находятся шайбы 31. пружинные шайбы 32, 33 и гайки 34, в сквозном отверстии шпильки 30 расположены несколько витков проводника 35, охватывающих сердечник дросселя. конец и начало указанного проводника использованы в качестве выводов вспомогательной обмотки 6 дросселя.

Импульсный стабилизатор постоянного

напряжения работает следующим образом.

Во время открытого состояния полупроводникового ключа 1 (транзистора, запираемого тиристора) через основную обмотку дросселя 3 протекает ток нагрузки, скорость нарастания которого ограничивается индуктивностью основной обмотки дросселя 3.

При выключении полупроводникового ключа 1 (по команде с выхода блока 11 управления) ток основной обмотки дросселя 3 замыкается через нагрузку стабилизатора (выводы 9 и 10), вспомогательную индуктивность 6 дросселя 3 и диод 5.

Ток в указанной цепи спадает со скоростью, определяемой постоянной времени цепи, состоящей из основной и вспомогательной обмотки дросселя 3. конденсатора 8 и сопротивления нагрузки стабилизатора. Ввиду большой частоты переключения полупроводникового ключа 1 (составляющей 30- 50 кГц) за время закрытого состояния ключа

ток спадает незначительно (на 10-20%).

При следующем открывании ключа 1 в первый момент времени диод 5 остается в проводящем состоянии (так как необходимо время 1-2 МКС для восстановления его обратного сопротивления), вследствие чего происходит нарастание сквозного тока по цепи: вывод 2 стабилизатора - открытый ключ 1 - диод 5 - вспомогательная индуктивность элемента 6 - вывод 7 стабилизатора. Другая составляющая тока ключа 1 замыкается по цепи: вывод 2 - ключ 1 - основная обмотка дросселя 3 -- конденсатор 8, нагрузка - вывод 7 стабилизатора. Вспомогательная индуктивность элемента 6 ограничивает скорость нарастания сквозного

тока, а следовательно, (при данном определенном времени восстановления обратного сопротивления диода) снижает амплитуду сквозной составляющей тока ключа 1 до допустимой для ключа 1 величины. После восстановления обратного сопротивления диода 5 ток через диодно-индуктивную цепочку 5,6 затухает и весь ток ключа 1 замыкается через основную обмотку дросселя 3 на нагрузку стабилизатора. Ввиду конст- руктивного расположения основной и вспомогательной обмоток дросселя 3, характеризуемого ортогональностью их собственных магнитных потоков в магнитном сердечнике, отсутствует трансформаторная связь между указанными обмотками. Как следствие основная и вспомЬга- тельная индуктивности, будучи расположены на одном магнитном сердечнике, проявляют свойства независимых маг- нитно-несвязанных индуктивностей с сердечником. Учитывая, что основная индуктивность дросселя 3 выполняет функцию ограничения скорости нарастания тока нагрузки (с периодом повторения кГц. исходя из частоты работы ключа 1). а вспомогательная индуктивность ограничивает скорость нарастания сквозного тока в течение 1-2 мкс, индуктивность вспомогательной обмотки на один-два порядка меньше индуктивности основной обмотки. Это позволяет выполнить вспомогательную обмотку (на том же магнитном сердечнике, что и основную) в виде одного или нескольких витков проводника.

Поскольку намагничивающие силы, создаваемые основной и вспомогательной обмотками дросселя 3 (при примерном равенстве амплитуд сквозного и нагрузочного токов), отличаются между собой на один- два порядка, то результирующая намагничивающая сила от действия обеих обмоток дросселя (равная корню квадратному из суммы квадратов намагничивающих сил этих обмоток незначительно (на несколько процентов) превышает намагничивающую силу основной обмотки дросселя, а следовательно, исключается насыщение магнитного сердечника дросселя 3 и не требуется и его увеличение.

В одном из возможных вариантов выполнения дросселя 3 (фиг.2) сердечник образован из двух ферритовых чашек 17 скрепленных между собой с помощью шпильки 19, шайб 20, 21 и гаек 24, 25. По- средством шайб 20, 21 и гаек 24 на шпильку 19 крепятся лепестки 26, через которые осуществляется токоотвод от вспомогательной обмотки 6, образованной токопроводящим стержнем (из стального, латунною и другого материала) шпильки 19. Силовые линии магнитного поля, создаваемого основной обмоткой 3, находятся в плоскости оси шпильки 19, а силовые линии магнитного поля, создаваемого вспомогательной обмоткой, в плоскости, перпендикулярной оси шпильки. Вс; едствие ортогональности магнитных полей магнитная связь между основной и вспомогательной обмотками отсутствует.

В другом возможном варианте выполнения дросселя 3 (фиг.З) сердечник образован из двух ферритовых чашек 28, скрепленных между собой шпилькой 30, шайбами 31, 32. 33 и гайкой 34. В осевое сквозное отверстие шпильки 30. изготовленной из металлического или неметаллического материала, уложены несколько витков проводника 35, являющегося вспомогательной обмоткой 6. Взаимное расположение магнитных полей основной 3 и вспомогательной 6 обмоток ортогонально и аналогично фиг.2.

Возможны и другие варианты выполнения дросселя 3, например на броневом Ill-образном или стержневом сердечнике. изготовленном из шихтованной электротехнической стали, при этом в сердечнике в направлении шихтовки имеются сквозные отверстия, в которых уложена вспомогательная обмотка. Магнитный поток вспомогательной обмотки также ортогонален оси магнитного поля, создаваемого основной обмоткой, расположенной на стержнях сердечника.

Конденсатор 8 осуществляет фильтрацию высокочастотных составляющих в выходном напряжении стабилизатора. Посредством блока 11 управления осуществляется стабилизация выходного напряжения стабилизатора (на выводах 9 и 10) независимо от колебаний напряжения на входе стабилизатора (выводы 2 и 7). При этом на входы регулятора 12 поступают сигналы задания и обратной связи по напряжению, соответственно от источника 16 опорного напряжения и с вывода 9 стабилизатора. Выход регулятора 12 воздействует на один из входов компаратора 13, на другой вход которого поступает пилообразное напряжение с выхода генератора 15. Импульсы с выхода компаратора 13 гальванически развязываются посредством трансформатора 14 и поступают на управляющий вход ключа 1, При этом длительности времен открытого и закрытого состояния ключа 1 поддерживаются такими, чтобы выходное напряжение стабилизатора было равным заданному.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий полупроводниковый ключ, подсоединенный между одним из входных выводов и общей точкой соединения дросселя с одним из выводов ди- одно-индуктивной цепочки, состоящей из последовательно соединенных диода и индуктивного элемента, второй входной вывод подключен к общей точке соединения второго вывода упомянутой диодно-индуктивной цепочки и первого вывода конденсатора, под19

соединенного своим вторым выводом к второму выводу дросселя, при этом выводы конденсатора подсоединены к выходным выводам и через блок управления подключены к управляющему входу полупроводникового ключа, отличающийся тем, что, с целью упрощения при одновременном снижении массы, объема и стоимости, дроссель и индуктивный элемент диодно-индуктивной цепочки выполнены в виде двух обмоток на общем магнитопроводе. причем магнитные оси обеих обмоток ортогональны

29