Импульсный стабилизатор напряжения Советский патент 1992 года по МПК G05F1/56 

VI

ю

ел ю

00

Изобретение относится к электротехние и предназначено для использования в стройствах вторичного электропитания.

Известен импульсный стабилизатор, в отором последовательно в цепь коллектоа силового транзистора включен токоогра- ичивающий дроссель, избыточный ток оторого при закрывании силового транзитора замыкается через разрядный диод.

Известен импульсный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий ключ, состоящий из силового транзистора, параллельно переходу база - эмиттер которого включен элемент ограничения напряения и управляющего транзистора, LCD-фильтр, первую и вторую входные клеммы и выходные клеммы, запирающий конденсатор, подключенный первым вывоом к точке соединения эмиттера силового ранзистора с дросселем LCD-фильтра и вторым выводом через последовательно соединенные токоограничивающий элемент и отсекающий диод с второй входной клеммой, блок управления, подключенный выходом через устройство согласования к базе управляющего транзистора.

Недостатком этих стабилизаторов является то, что ограничение амплитуды тока запирания перехода эмиттер - база силового транзистора ведет к увеличению времени рассасывания носителей из базовой области и задержке закрывания силового транзистора. Это вызывает увеличение потерь в силовом транзисторе и снижение КПД.

После запирания перехода эмиттер - база силового транзистора ток разряда запирающего конденсатора не прекращается, замыкаясь через разрядный резистор и элемент ограничения напряжения, включенный параллельно переходу база - эмиттер силового транзистора. Это ведет к потерям энергии и снижению КПД. Кроме того, для открывания и удержания силового транзистора в открытом состоянии через коллектор управляющего транзистора должен протекать ток, превышающий необходимую величину тока базы открытого силового транзистора на величину тока разряда запирающего конденсатора, протекающего через разрядный резистор. Это увеличивает мощность управления и ведет к снижению КПД. Не решена также задача ограничения амплитуды обратного тока токозамыкающе- го диода LCD-фильтра при его запирании.

Цель изобретения - повышение КПД импульсного стабилизатора напряжения.

На фиг. 1 представлена схема импульсного стабилизатора напряжения; на фиг. 2 - кривые напряжений и токов элементов, поясняющие работу стабилизатора; на фиг. 3

и 4 - варианты схем импульсных стабилизаторов напряжения с разными функциями их силовых частей.

На фиг. 2 обозначены: 161, I63, 1619,

I622 - токи баз транзисторов, 1кЗ - ток коллектора транзистора; U14 - импульсы управления на выходе узла управления.

Импульсный стабилизатор напряжения (фиг. 1) содержит регулирующий ключ с си0 ловым транзистором 1, параллельно переходу база - эмиттер которого включен эмиттер 2 ограничения напряжения, и управляющим транзистором 3, первый 4 и второй 5 входные выводы, первый 6 и второй 7

5 выходные выводы, LCD-фильтр 8, подключенный выходом к выходным выводам 6 и 7, запирающий конденсатор 9, подключенный первым выводом 10 к входу LCD-фильтра 8, а вторым выводом 11 через последователь0 но соединенные токоограничивающий элемент 12 и отсекающий диод 13 - к второму входному выводу 5, блок 14 управления, подключенный входами к входным 4 и 5 и выходным 6 и 7 выводам, а выходом через

5 узел 15 согласования-к базе управляющего транзистора 3, запирающий диод 16, включенный согласно-последовательно с переходом база - эмиттер силового транзистора 1 в цепь между точкой 17 соединения запи0 рающего конденсатора 9 с входом LCD- фильтра 8 и первым силовым выводом 18 управляющего транзистора 3, дополняющий транзистор 19, соединенный коллектором с первым силовым выводом 18

5 управляющего транзистора 3, базой через последовательно соединенные блокирующий диод 20, включенный согласно с его переходом база - эмиттер, и базовый резистор 21 - с вторым входным выводом 5, а

0 эмиттером - с вторым выводом 11 запирающего конденсатора 9.

Импульсный стабилизатор напряжения (фиг. 3) дополнительно содержит запирающий транзистор 22, соединенный первым

5 силовым выводом 23 с базой дополняющего транзистора 19, вторым силовым выводом 24 через фиксирующий диод 25 - с первым силовым выводом 18 управляющего транзистора 3, а базой - с инвертирующим выхо0 дом 26 узла 15 согласования.

В импульсном стабилизаторе напряжения (фиг. 4) между точкой соединения токоограничивающего элемента 12, выполненного в виде дросселя, с отсекаю5 щим диодом 13 и первым выводом 10 запирающего конденсатора 9 включен дополнительный диод 29, замыкающий ток разряда дросселя 13.

Пунктиром на фиг. 1 представлена известная демпфирующая цепь и место включения ее элементов, предназначенная для ограничения амплитуд токов включения силового транзистора 1 и запирания диода LCD-фильтра 8, а также для повышения напряжения на коллекторе управляющего транзистора 3 и компенсации падения напряжения на запирающем диоде 16.

Импульсный стабилизатор напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.

Узел 14 управления вырабатывает последовательность импульсов, которые, воздействуя через устройство 15 согласования на управляющий транзистор 3, обеспечивают периодическое переключение его из проводящего в непроводящее состояние и наоборот. Длительность импульсов, вырабатываемых узлом 14 управления, зависит от изменений напряжения питания и выходного напряжения импульсного стабилизатора так, что за счет изменения соотношения длительностей закрытого и открытого состояний транзистора 3, а следовательно, и силового транзистора 1 выходное напряжение на выводах 6 и 7 поддерживается стабильно на заданном уровне.

Предположим, что в момент времени to (фиг. 2) на вход устройство 15 согласования с выхода узла 14 управления поступает положительный относительно входного вывода 5 импульс напряжения. Это приводит к тому, что управляющий транзистор 3 открывается. Через него начинает поступать ток в базу силового транзистора 1. Последний открывается. Возникают цепи заряда запирающего конденсатора 9: первый входной вывод 4 - переход эмиттер - коллектор открытого силового транзистора 1.- запирающий конденсатор 9 - токоограничивающий элемент 12 - отсекающий диод 13 - второй входной вывод 5 и передачи энергии в нагрузку стабилизатора: входной вывод 4 - открытый силовой транзистор 1 -дроссель LCD-фильтра 8 - первый выходной вывод 6 - нагрузка стабилизатора - второй выходной вывод 7 - входной вывод 5. Во время передачи энергии в нагрузку происходит накопление энергии в электромагнитном поле LCD-фильтра 8 при нарастающем характере тока его дросселя и заряд запирающего конденсатора 9 до напряжения, величина которого определяется током токоограни- чивающего элемента 12 и длительностью открытого состояния силового транзистора 1.

В момент времени ti импульс управления, поступающий с выхода узла 14 управления, заканчивается. В результате этого управляющий транзистор 3 начинает закрываться, так как прерывается цепь тока его базы. Поступающий в базу силового транзистора 1 ток начинает уменьшаться, что приводит к росту сопротивления перехода эмиттер - коллектор транзистора 1. Увеличение этого сопротивления приводит к тому, 5 что ток, протекающий со стороны входного вывода 4 через дроссель LCD-фильтра 8, начинает уменьшаться. Это,3в силу свойств индуктивных элементов, приводит к смене полярности напряжения дросселя LCD0 фильтра 8, который стремится сохранить величину протекающего через него тока. Смена полярности напряжения дросселя LCD-фильтра 8 приводит к замыканию тока дросселя самого на себя через нагрузку

5 стабилизатора и токозамыкающий диод LCD-фильтра 8, а также к открытию дополняющего транзистора 19, в базу которого начинает поступать отпирающий ток от за- . пирающего конденсатора 9 по цепи: вывод

0 10 запирающего конденсатора 9 - открытый диод LCD-фильтра 8 - блокирующий диод 20 - базовый резистор 21 - переход база.- эмиттер дополняющего транзистора 19 - вывод 11 запирающего конденсатора 9.

5 Через открытый дополняющий транзистор 19 к цепи согласно-последовательно соединенных перехода база-эмиттер силового транзистора 1 и запирающего диода 16 в запирающем направлении прикладывает0 ся напряжение запирающего конденсатора 9. Ток разряда запирающего конденсатора 9, протекая в запирающем направлении через переход база - эмиттер силового транзистора 1 и запирающий диод 16,

5 обеспечивает рассасывание носителей в базовой области силового транзистора 1 и за- пирзющем диоде 16. Переход база - эмиттер силового транзистора 1 запирается, что вызывает форсированное закрыва0 ние этого транзистора. Ток разряда запирающего конденсатора 9 продолжает протекать через элемент 2 ограничения напряжения до запирания диода 16, который, запираясь, прерывает цепь разряда конден5 сатора 9.

Таким образом, временем восстановления обратного сопротивления запирающего диода 16 ограничивается время разряда запирающего конденсатора 9, а следователь0 но, и потери энергии при этом. Поэтому при выполнении стабилизатора по фиг. 1 следует в качестве запирающего диода 16 выбрать диод с малым временем восстановления обратного сопротивле5 ния, но не меньше времени рассасывания заряда в базовой области силового транзистора 1.

Активное рассасывание зарядов в области базы силового транзистора 1 в процессе его запирания уменьшает длительность этого процесса, снижая динамические потери энергии в этом транзисторе.

В момент времени t2 появляется следующий импульс напряжения на выходе узла 14 управления. Управляющий 3 и силовой 1 транзисторы открываются. Диод LCD-фильтра 8 закрывается и прерывает ток, поступающий в базу транзистора 19. Последний закрывается. В дальнейшем описанные процессы повторяются.

В схеме по фиг. 1 открывание дополняющего транзистора 19 происходит только после того, как произойдет некоторое увеличение сопротивления перехода эмиттер - коллектор силового транзистора 1 при закрывании управляющего транзистора 3. В результате в процессе закрывания силового транзистора 1 возникает участок с пассивным рассасыванием заряда в области базы. Это несколько увеличивает длительность закрывания силового транзистора 1 и ведет к увеличению потерь энергии в нем.

Отличие работы импульсного стабилизатора напряжения (фиг. 3) с введенным запирающим транзистором 22, управляемым через инвертирующий выход 26 узла 15 согласования, состоит в следующем.

В момент времени ti (фиг. 2) импульс управления, поступающий с выхода узла 14 управления, заканчивается. В результате этого управляющий транзистор 3 начинает закрываться, а запирающий транзистор 22 открываться, так как на инвертирующем выходе 26 узла 15 согласования появляется сигнал, отпирающий этот транзистор. Открываясь, запирающий транзистор 22 образует цепь питания базы дополняющего транзистора 19 отпирающим током, Транзистор 19 открывается. В результате этого к последовательно соединенным переходу база - эмиттер силового транзистора 1 и запирающему диоду 16 в запирающем направлении прикладывается напряжение конденсатора 9. Происходит процесс активного рассасывания заряда в базовой области силового транзистора 1. Этот транзистор начинает закрываться, уменьшая ток, протекающий через дроссель LCD- фильтра 8 со стороны входного вывода 4. Напряжение на дросселе меняет свою полярность, а его ток начинает замыкаться через диод LCD-фил ьтра 8 и нагрузку стабилизатора сам на себя.

ft

Открываясь, диод LCD-фильтра 8 образует цепь, по которой в базу дополняющего транзистора 19 начинает втекать отпирающий ток, ток разряда запирающего конденсатора 9, удерживающий транзистор 19 в открытом состоянии в течение времени сохранения диодом LCD-фильтра 8 проводящего состояния.

Напряжением запирающего конденсатора 9 через открытый дополняющий тран- зистор 19 запирается переход база - эмиттер силового транзистора 1, и он закрывается. Затем запирается запирающий диод 16, прерывая ток разряда конденсатора 9.

В момент времени t2 появляется следующий импульс напряжения на выходе узла 14 управления. Управляющий 3 и силовой 1 транзисторы открываются. В то же время на инверсном выходе 26 узла 15 согласования

появляется сигнал, закрывающий запирающий транзистор 22. Силовой транзистор 1 остается в открытом состоянии до окончания очередного импульса напряжения, поступающего с выхода узла 14 управления.

Включение запирающего диода 16 по варианту фиг, 3 позволяет в качестве такового использовать диоды с временем восстановления обратного сопротивления, равным или меньшим времени рассасывания заряда в области базы силового транзистора 1.

В случаях, когда сопряжение временных параметров запирающего диода 16 и силового транзистора 1 затруднено, задача

может быть решена включением параллельно запирающему диоду 16 конденсатора 27 (фиг. 4), увеличивающего длительность восстановления обратного сопротивления образованной таким образом совокупной

цепи. Вместе с тем конденсатор 27 может служить ускорителем процесса отпирания силового транзистора 1.

Включение параллельно запирающему диоду 16 резистора 28 дает возможность

обеспечить некоторый ток базы запирающего транзистора 22 после восстановления обратного сопротивления диода 16. Транзистор 22 остается в открытом состоянии в течение всего времени присутствия на инверсном выходе 26 отпирающего сигнала. В этом случае из стабилизатора могут быть исключены транзистор 19, резистор 21 и диод 20 при условии соединения вывода 23 транзистора 22 с выводом 11 конденсатора 9.

Выполнение токоограничивающего элемента 13 в виде дросселя позволяет снизить потери в цепи заряда запирающего конденсатора 9. Замыкание тока этого дросселя на

интервалах закрытого состояния силового транзистора 1 осуществляется через дополнительный диод 29.

Фиксирующий диод 25, понижая потенциал эмиттера запирающего транзистора 22, обеспечивает надежное запирание этого

транзистора при открытом управляющем транзисторе 2.

Блокирующий диод 20 защищает дополняющий транзистор от пробоя его управляющего перехода при заряде запирающего конденсатора 9.

Фо р мул а и зо б рете н и я 1. Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий ключ, состоящий из силового транзистора, параллельно переходу база - эмиттер которого включен элемент ограничения напряжения, и управляющего транзистора, первые и вторые входные и выходные выводы, LCD-фильтр, выходом подключенный к выходным выводам, запирающий конденсатор, подключенный первым выводом к входу LCD-фильтра, а вторым выводом через последовательно соединенные токоограничи- вающий элемент и отсекающий диод - к второму входному выводу, блок управления, подключенный входами к входным и выходным выводам, а выходом через узел согласования - к базе управляющего транзистора, причем вход регулирующего ключа соединен с первым входным выводом, о т- личающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены запирающий диод, дополняющий транзистор, блокирующий диод и базовый резистор, причем запирающий диод включен согласно-последовательно с переходом база - эмиттер силового транзистора в цепь между точкой

соединения запирающего конденсатора с входом LCD-фильтра и первым силовым выводом управляющего транзистора, дополняющий транзистор соединен коллектором с первым силовым выводом управляющего транзистора, базой через последовательно соединенные блокирующий диод, включенный согласно с его переходом база - эмиттер, и базовый резистор - с вторым входным выводом, а эмиттером - с вторым выводом запирающего конденсатора.

2.Стабилизатор по п. 1, отличающийся тем, что в него введены запирающий транзистор и фиксирующий диод, а узел согласования снабжен инверсным выходом, причем запирающий транзистор соединен первым силовым выводом с базой дополняющего транзистора, вторым силовым выводом через фиксирующий диод - с первым силовым выводом управляющего транзистора, а базой - с инвертирующим выходом узла согласования.

3.Стабилизатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что параллельно запирающему диоду включены конденсатор и резистор.

4.Стабилизатор по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что токоограничивающий элемент выполнен в виде накопительного дросселя и между точкой его соединения с отсекающим диодом и первым выводом запирающего конденсатора включен дополнительный диод.

Изобретение касается электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель - повышение КПД. Блок 14 управления в зависимости от величины входного напряжения и тока нагрузки формирует на выходе импульсы, длительность которых обеспечивает поддержание выходного напряжения на требуемом уровне. Узел 15 согласования преобразует импульсы блока 14 управления в две противофазные последовательности, управляющие работой управляющего 3 и запирающего 19 транзисторов. Напряжение конденсатора 9 используется для запирания силового транзистора 1. Длительность запирающего импульса силового транзистора определяется временем восстановления обратного сопротивления запирающего диода 16. 3 з. п. ф-лы, 4 ил. /1.

tt ts

CPU2-2

Фиг.З