Ключевой стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G05F1/569 

Изобретение относится к электротехни кеи может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен ключевой стабилизатор постоянного напряжения (КСПН), содержащий силовую часть, согласующий усилитель, источник опорного напряжения, делитель опорного напряжения, широтноимпульсный модулятор (ШИМ), два делителя выходного напряжения и два транзистора защиты.

Недостатком этого стабилизатора является его низкая надежность. Обусловлено это тем, что защита по току рассматриваемого устройства срабатывает при снижении выходного напряжения, которое должно быть вызвано увеличением тока нагрузки. Однако в соответствии с основным назначением (стабилизация выходного напряжения) рассматриваемое устройство должно поддерживать выходное напряжение на заданном уровне в определенном диапазоне нагрузок и снижение напряжения на выходе возможно лишь (при ограниченном коэффициенте заполнения управляющих импульсов, формируемых ШИМ) .при превышении режимов работы номинальных элементов схемы: регулирующий транзистор из режима насыщения переходит в активный режим работы, а падения напряжения на дросселе и диоде становятся значительными.

Таким образом, рассматриваемое устройство перед срабатыванием защиты должно перейти в такой режим работы, при котором режим работы входящих в устройство элементов значительно превышает номинальные режимы работы, что в свою очередь снижает надежность устройства в целом. Особенно опасным для рассматриваемого устройства является режим короткого замыкания нагрузки.

Недостатком устройства является также большой разброс значений токов срабатывания защиты вследствие технологическою разброса параметров входящих в него элементов и отсутствия элементов подстройки тока срабатывания защиты.

Кроме того, рассматриваемое устройство не обеспечивает автоматического включения стабилизатора после устранения перегрузки. Это затрудняет длительную эксплуатацию стабилизатора и его применение для нагрузок, в которых часто повторяется режим перегрузки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий датчик тока и силовую часть, включенные последовательно между входной и выходной клеммами, делитель выходного напряжения, подключенный параллельно выходным клеммам. Управляющий вход силовой части через согласующий усилитель подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу делителя выходного напряжения, второй вход к первому выходу источника опорного напряжения, третий вход через делитель - к второму выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к общей точке соединения силовой части и датчика тока. Выход датчика тока соединен с входом порогового элемента блока защиты, содержащего также первый транзистор, диод, катодом соединенный через резистор с одним выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с общей шиной. Кроме того, эмиттер первого транзистора соединен с вторым выходом делителя выходного напряжения и выходом порогового элемента, а коллектор с базой второго транзистора, эмиттер которого соединен с первым выводом источника опорного напряжения, а коллектор - с четвертым входом широтно-импульсного модулятора. База первого транзистрра соединена с катодом стабилитрона и общей точкой резистора и конденсатора. Анод стабилитрона подключен к общей шине, а анод диода - к силовой части.

Недостатком известного стабилизатора является его низкая надежность, так как ток потребления в сработанном состоянии оказывается значительным и составляет приблизительно 40-60% от номинального.

Целью изобретения является повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в ключевом стабилизаторе постоянного напряжения, содержащем датчик тока и силовую часть, включенные последовательно между входным и выходным выводами, делитель выходного напряжения, подключенный параллельно выходным выводам, при этом управляющий вход силовой части через согласующий усилитель подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу делителя выходного напряжения, второй вход к одному из выходов источника опорного напряжения, а третий вход - через делитель опорного напряжения к другому выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к общей соединения силовой части и датчика тока, выход которого соединен с первым входом порогового элемента блока защиты, содержащего также транзистор, диод, катодом соединенный через резистор с одним выводом

конденсатора, другой вывод которого, а также пороговый элемент и один из входов широтно-импульсного модулятора соединены с общей шиной, в блок защиты введены два D-триггера, четыре диода, три резистора, два конденсатора, причем выход порогового элемента соединен со счетным входом первого D-триггера, R-вход которого соединен с одним выводом первого конденсатора и анодом первого диода. Q-выход первого D-триггера подключен к катоду первого и аноду второго диодов, Q-выход к счетному входу второго D-триггера, R-вход которого соединен с анодом третьего диода, первыми выводами второго резистора и второго конденсатора. Q-выход второго D-триггера соединен с катодом третьего диода, вторым выводом второго резистора и анодом четвертого диода. Катод четвертого соединен с катодом второго диода, базой транзистора и первым выводом третьего резистора. Коллектор транзистора соединен с вторым входом широтно-импульсного модулятора и D-входами обоих D-триггеров, а эмиттер через четвертый резистор - с первым выводом третьего конденсатора и анодом пятого диода, катод которого соединен с четвертым входом широтно-импульсного модулятора и вторым выводом третьего резистора. BTOpbie выводы второго и третьего конденсаторов и S-входы обоих D-триггеров соединены с общей шиной стабилизатора.

На фиг.1 представлена электрическая схема ключевого стабилизатора постоянного напряжения; на фиг.2 и 3 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу стабилизатора; на фиг.4 - пример реализации широтно-импульсного модулятора, выполненного на основе интегральной схемы 1114 Е УЗ 6KQ.347.300-02 ТУ-ДА 1.

Ключевой стабилизатор постоянного напряжения (фиг.1) содержит датчик 1 тока и силовую часть 2, включенные последовательно между входной и выходной выводами, делитель 3 выходного напряжения, подключенный параллельно выходному выводу и общей шине. Управляющий вход силовой части через согласующий усилитель 4 подключен к выходу широтно-импульсного модулятора 5, первый вход которого подключен к выходу делителя 3 выходного напряжения, второй вход к первому выходу источника 6 опорного напряжения, третий вход- к выходу делителя 7 опорного напряжения, к второму выходу источника 6 опорного напряжения, вход которого подключен к общей точке соединения силовой части 2 и датчика 1 тока 4. Выход датчика 1 тока соединен с входом порогового элемента 8

блока защиты, содержащего также транзистор 9, диод 10, катодом соединенный через резистор 11 с одним выводом конденсатора 12, другой вывод которого, а также пороговый элемент 8, соединены с общей шиной.

Блок защиты содержит также два Dтриггера 13 и 14, четыре диода 15-18, три резистора 19-21, два конденсатора 22 и 23. Выхрд порогового элемента 8 соединен со счетным входом D-триггера 13, R-вход которого соединен с первым выводом конденсатора 12 и анодом диода 10. Q-выход D-триггера 13 подключен к катоду диода 10 и аноду диода 15, Q-выход к счетному входу D-триггера 14, R-вход которого соединен с анодом диода 16, первыми выводами резистора 19 и конденсатора 22.Q-выход D-триггера 14 соединен с катодом диода 17, соединен с катодом диода 15, базой транзистора 9 и первым выводом резистора 20. Коллектор транзистора 9 соединен с вторым входом широтно-импульсного модулятора и D-входами D-триггеров 13 и 14, а эмиттер через резистор 21 с первым выводом конденсатора 23 и анодом диода 18, катод которого соединен с четвертым входом широтно-импульсного модулятора и вторым выводом резистора 20. Вторые выводы конденсаторов 22 и 23 S-входы обоих D-триггеров соединены с общей шиной стабилизатора.

На фиг,2 и 3 приняты следующие обозначения; 24 - напряжение на выходе порогового элемента 8; 25 - напряжение О на выходе D-триггера 13; 26 - напряжение на конденсаторе 12; 27 - напряжение на Q-выходе D-триггера 14; 28 - напряжение на конденсаторе 22; 29 и 30 - напряжение на базе транзистора 9; 31 и 32 - ток через датчик 1 тока; 33 - напряжение на конденсаторе 23; 34 - напряжение на четвертом входе ШИМ 5; 1ср.защ. - ток силбвой части 2, при котором срабатывает пороговый элемент 8; Von. - напряжение, формируемое с первого выхода источника 6 опорного напряжения.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет уменьшения среднего тока силовой части стабилизатора в режиме перегрузки, формирования плавного нарастания тока в силовой части в режиме автоматического включения стабилизатора в режиме перегрузки, повышена надежность ключевого стабилизатора постоянного напряжения.

Стабилизатор работает следующим образом.

Источник 6 опорного напряжения формирует напряжение, используемое для питания ШИМ 5, блока защиты и делителя 7

опорного напряжения. С выхода делителя 7 опорного напряжения часть напряжения, формируемого источником опорного напряжения, поступает на третий вход ШИМ 5. На первый вход ШИМ 5 поступает напряжение с делителя 3 выходного напряжения. В соответствии с разностью этих напряжений ШИМ формирует управляющие импульсы переменной длительности, которые поступают на управляющий вход силовой части 2 через согласующий усилитель 4. Длительность управляющих импульсов ШИМ 5 обеспечивает постоянство напряжения на выходных клеммах стабилизатора.

Предположим, что в момент времени to (фиг.2) ток через датчик 1 тока превысил заданное значение 1ср.защ. При этом пороговый элемент 8 формирует на выходе высокий уровень напряжения и на Q-выходе D-триггера 13 появляется высокий уровень напряжения, длительностью to ti, определяемой временем заряда конденсатора 12 через резистор 11 до уровня -0,5 Von. В момент времени ti конденсатор 12 начинает разряжаться через диод 10, а на Q-выходе D-триггера 14 появляется высокий урдвень напряжения, длительностью ti -12, определяемой временем заряда конденсатора 22 через резистор 19 до уровня .- 0,5 Уоп. В момент времени t2 конденсатор 22 начинает разряжаться через диод 16, Сигналы с Q-выходов D-триггеров 13 и 14 суммируемые по длительности с помощью диодов 15 и 17 и на интервале времени to - 12 по цепи транзистор 9 - резистор 21 -диод 18 поступают на четвертый вход ШИМ 5, срывая управляющие импульсы с выхода ШИМ 5. За интервал времени -t2 конденсатор 12 успевает полностью разрядиться, за интервал времени t2 - t4 конденсатор 22 также успевает полностью разрядиться.

В интервале времени t2 - ta осуществляется пробноевключение стабилизатора. Длительность этого интервала определяется временем нарастания тока через датчик тока 1 до 1ср.защ. и процессы в стабилизаторе повторяются аналогично указанному. Таким образом, выполнение защиты из двух последовательно соединенных Dтриггеров с зарядными цепями обеспечивает гарантированное по длительности выключение стабилизатора в режиме проб. Время выключения стабилизатора при этом определяется параметрами зарядных цепей (11-12, 19-22) и не зависит от длительности перегрузки стабилизатора. Время включения стабилизатора в режиме проб зависит только от времени нарастания тока в силовой части, т.е. через датчик 1 тока до заданного 1ср.защ. значения. Выбором цепей заряда 11-12 и 19-22 возможно регулировать средний ток стабилизатора в режиме проб при его перегрузке в широком диапазо 1е, от

30 до 3% от номинального.

При формировании D-триггерами 13 и 14 выключающего стабилизатор сигнала в интервале времени to -12 на четвертый вход ШИМ 5 поступает сигнал с Q-выходов Dтриггеров 13 и 14.

В интервале времени to - ta D-триггеры 13 и 14 формируют выключающие сигнал по цепи 15,17-20-четвертый вход ШИМ 5. При этом конденсатор 23 через эмиттерный повторитель на транзисторе 9 и резисторе 21 заряжается до -Von. В момент времени t2 D-триггеры 13 и 14 успевают установиться в исходное состояние, а выключенное состояние стабилизатора, поддерживает напряжение на конденсаторе 23, котррое подается на четвертый вход ШИМ 5 через диод 18. С момента времени t2 происходит плавный разряд конденсатора 23 и, следовательно, плавное нарастание по длительности выходных импульсов ШИМ 5.

В результате обеспечивается регулируемая за счет разряда конденсатора 23 скорость нарастания тока в силовой части 2 стабилизатора и полностью исключаются

броски тока в ней.

Тактовая частота микросхемы ДА1 (фиг.4) задается резистором R1 и конденсатором С2. Резистором R2 задается ток упрабления фазорасщепителя. Цепь C3-VD1

служит для задания длительности мягкого запуска при подключении стабилизатора к питающей сети, а цепь R3-VD2 и резистор R4 - для задания гарантированной паузы между тактовыми импульсами. С помощью

резистора R5устанавливается коэффициент усиления по цепи обратной связи конденсаторами С4 и С5, производится коррекция частотной характеристики усилителя обр тной связи.

Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет снижения среднего тока в силовой части при перегрузках по току и коротких замыканий в нагрузке, обеспечения плавного нарастания тока в силовой части в режиме автоматических повторных включений (проб), повышена надежность стабилизатора. Кроме того, предусмотрены возможность регулировки допустимой разовой длительности перегрузки и длительности выключенного состояния силовой части в режиме проб.

Формула изобретения Ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий датчик тока и силовую часть, включенные последовательно между входным и выходным выводами, делитель выходного напряжения, подключенный между выходным выводом и общей шиной, при этом управляющий вход силовой части через согласующий усилитель подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу делителя выходного напряжения, второй вход - к первому выходу источника опорного напряжения, подключенного к второму выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к общей точке соединения силовой части и датчика тока, выход датчика тока соединен с первым входом порогового элемента блока защиты, содержащего также транзистор, первый диод, катодом соединенный с первым выводом первого резистора и первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, к которой также подключены второй вход порогового элемента и четвертый вход широтно-импульсного модулятора, отличающийс я тем, что, с целью пов шения надежности, в блок защиты введены два D-триггера, второй, третий, четвертый и пятый диоды, второй, третий и четвертый резисторы, второй и третий конденсаторы, причем выход порогового элемента соединен со счетным

входом первого D-триггера, R-вход которого соединен с первы выводом первого конденсатора, вторым выводом первого резистора и анодом первого диода, Q-выход

первого D-триггера подключен к катоду первого и аноду второго диодов, а Q-выход - к счетному входу второго D-триггера, R-вход которого соединен с анодом третьего диода, первыми выводами второго резистора и

второго конденсатора, Q-выход второго Dтриггера соединен с катодом третьего диода, вторым выводом второго резистора и анодом четвертого диода, катод четвертого диода соединен с катодом второго диода, базой транзистора и первым выводом третьего резистора, коллектор транзистора соединен с вторым входом широтно-импульсного модулятора и ,Dвходами обоих D-триггеров, а эмиттер - с

первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего конденсатора и анодом пятого диода, катод пятого диода соединен с введенным пятым входом

широтно-импульсного модулятора, обеспечивающего срыв управляющих импульсов, и вторым выводом третьего резистора, вторые выводы второго и третьего конденсаторов и 8-входы обоих Dтриггеров соединены с общей шиной.

Изобретение относится к злектротехни- ке и может быть использовано в устройствах питания радиозлектронной аппаратуры. Цель - повышение надежности. Устройство содержит датчик 1 тока и силовую часть 2, делитель 3 выходного напряжения, согласующий усилитель 4, широтно-импульсный модулятор 5, источник 6 опорного напряже-ния, делитель 1 опорного напряжения и блок защиты, состоящий из порогового зле- мента 8, транзистора 9, первого диода 10, резистора 11 и конденсатора 12. В устройство введены два D-триггера 13 и 14, четыре диода 15,16,17,18, три резистора 19,20,21, два конденсатора 22, 23. При превышении током значения срабатывания пороговый злемент запускает последовательно включенные D-триггерьи импульсы с выхода которых суммируются по длительности и поступают на соответствующий вход ШИМ, который отключает силовую часть устройства. При зтом за время действия импульса с выхода второго D-триггера зарядные цепи первого D-триггера полностью подготавливаются к повторному включению. Таким образом длительность устройства имеет гарантированную длительность выключенного состояния, определяемую цепями заряда 11-12 и 19-22, что позволяет регулировать средний ток стабилизатора в режиме проб в широком диаИазоне. 4 ил. <5/7<7/r 3Cf{^a/rTM /СОсо-iroisXI

t ii tiit ii,

is

TVTV TV

8

fjef. liui.

3i

,.

ч

31

Фиг.З