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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известен ключевой стабилизатор постоянного напряжения (КСПН), содержащий си- ловую часть, согласующий усилитель, источник опорного напряжения, делитель опорного напряжения широтно-импульс- ный модулятор (ШИМ), два делителя выходного напряжения и два транзистора защиты.

Недостатком этого стабилизатора напряжения является 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 соответствие 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, формирующих ШИМ) при превышении режимов работы элементов схемы номинальных: 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 дол- жно 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 большой разброс значений токов срабатывания защиты из-за технологического разброса параметров входящих в него элементов и отсутствия элементов подстройки тока срабатывания защиты.

Кроме этого, рассматриваемое устрой- ство не обеспечивает автоматического включения стабилизатора после устранения перегрузки. Это затрудняет длительную эксплуатацию стабилизатора и его применение для нагрузок, в которых часто повто- ряется режим перегрузки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий датчик тока и силовую часть, включенную последовательно между входкой и выходной клеммами, делитель выходного напряжения, подключенный параллельно выходным клеммам, управляющий вход силовой части через согласующий усилитель подключен к выходу широтно-им- пульсного модулятора, первый вход которого подключен к первому 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 выходом источника опорного напряжения, а коллектор с четвертым входом широтно-импульсного модулятора, база первого транзистора соединена с катодом стабилитрона и общей точкой резистора и конденсатора, анод стабилитрона подключен к общей шине, а анод диода к силовой части.

Недостатком рассматриваемого стабилизатора является его низкая надежность. Объясняется это тем, что при включении стабилизатора в режиме, близком к короткому замыканию в силовой части, ток успевает развиться до значительной величины. Это вызывает большие потери мощности в силовой части стабилизатора.

Кроме того, в КСПН в режиме Проба в интервалах временного включения ШИМ формирует управляющие импульсы максимальной длительности, поскольку на входы ШИМ подается максимальный сигнал (разность части опорного напряжения с делителя опорного напряжения и части выходного напряжения с делителя выходного напряжения, равного нулю). Это приводит к броскам тока через силовую часть, снижая при этом надежность и ухудшая ЭМС (электромагнитная совместимость).

К недостаткам КСПН следует также отнести неограниченное число проб в режиме длительной перегрузки стабилизатора, что снижает надежность КСПН при длительной эксплуатации его в неноминальном режиме.

Цель изобретения - повышение надежности стабилизатора.

Поставленная цель достигается тем, что в ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий датчик тока и силовую часть, включенные последовательно между входным и выходным выводами, делитель выходного напряжения, подключенный параллельно выходному выводу, 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 дели- тель опорного напряжения к другому выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к общей точке соединения силовой части и датчика тока, выход которого объединен 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, пять диодов, пять резисторов, три 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,а Овыход к счет- ному 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 дио- да, вторым выводом второго резистора и анодами четвертого и пятого диодов, 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 D-входа- ми обоих D-триггеров, а эмиттер через четвертый резистор с первым выводом третьего конденсатора и анодом шестого диода, катод которого соединен с четвертым входом широтно-импульсного модулятора и вторым выводом третьего резистора, катод пятого диода через пятый резистор соединен с первыми выводами четвертого конденсатора и шестого резистора и 3-вхо- дами обоих D-триггеров, вторые выводы третьего и четвертого конденсатора и шестого резистора соединены с общей шиной стабилизатора.

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), автоматического выключения стабилизатора при длительных перегрузках повышена надежность стабилизатора. Кроме того, в предлагаемом стабилизаторе предусмотрены возможность регулировки допустимой разовой длительности, выключенного состояния силовой части в режиме Проба.

На фиг. 1 представлена элементная 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 1114ЕУЗ бКО.347,300-02 ТУ-Да1.

Ключевой стабилизатор постоянного напряжения (фиг. 1) содержит датчик 1 тока и силовую часть 2. включенные последовательно между входной и выходной клеммами, делитель 3 выходного напряжения, подключенный параллельно выходным клеммам.

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 одному из выходов источника 6 опорного напряжения, третий вход - через делитель 7 опорного напряжения к другому входу источника б опорного напряжения, вход которого подключен к общей точке соединения силовой части 2 и датчика 1 тока.

Выход датчика 1 тока соединен с входом порогового элемента 8 блока защиты, содержащего также транзистор 9, первый диод 10, катодом соединенный через первый резистор 11 с одним выводом конденсатора 12, другой вывод которого, а также пороговый элемент 8 и ШИМ 5 соединены с общей шиной. Блок защиты содержит также два D-триггера 13 и 14, пять диодов 15-19, пять резисторов 20-24, три конденсатора 25-27, причем выход порогового элемента 8 соединен со счетным входом D-триггера 13, R- вход которого соединен с одним выводом конденсатора 12 и анодом диода 10. Q-выход D-триггера 13 подключен к катоду диода 10 и аноду диода 15, а Q-выход к счетному входу D-триггера 14, R-вход которого соединен с анодом диода 16, первыми выводами резистора 20 и конденсатора 25. Q-выход D-триггера 14 соединен с катодом диода 16, вторым выводом резистора 20 и анодами

диодов 17 и 18, катод диода 17 соединен с катодом диода 15, базой транзистора 9 и первым выводом резистора 21,

Коллектор транзистора 9 соединен с вторым входом широтно-импульсного моду- лятора 5 и D-входами D-триггеров 13 и 14, а эмиттер через резистор 22 с первым выводом конденсатора 26 и анодом диода 19, катод которого соединен с четвертым входом широтно-импульсного модулятора и вторым выводом резистора 21, катод диода 18 через резистор 23 соединен с первыми выводами конденсатора 27, резистора 24 и S-входами обоих D-триггеров 13 и 14,вторые выводы конденсаторов 26 и 27 и резистора 24 соединены с общей шиной стабилизатора. ШИМ 5 имеет входы 40-44.

На фиг. 2 и 3 приняты обозначения: 28 - напряжение на выходе порогового элемен- та 8; 29 - напряжение на Q-выходе D-триг- гера 13; 30 - напряжение на конденсаторе 12; 31 - напряжение на Q-выходе D-триггера 14; 32 - напряжение на конденсаторе 25; 33 и 35 - напряжение на базе транзистора 9; 34 и 38 - ток через датчик 1 тока; 36 - напряжение на конденсаторе 26; 37 - напряжение на четвертом входе ШИМ 5; 39 - напряжение на конденсаторе 27, Ср. защ - ток силовой части 2, при котором срабаты- вает пороговый элемент 8; Uon - напряжение, формируемое с первого выхода источника 6 опорного напряжения.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что за счет уменьшения сред- него тока силовой части стабилизатора в режиме перегрузки, формирования плавного нарастания тока в силовой части в режиме автоматического включения стабилизатора в режиме перегрузки, отключения силовой ча- сти стабилизатора при длительности перегрузки по току выше заданной 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 сигналы управления 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 ср.защ. При этом пороговый элемент 8 формирует на выходе высокий уровень напряжения и на Q-выходе D-триггера 13 появляется высокий уровень напряжения длительностью t0-ti, определяемой временем заряда конденсатора 12 через резистор 11 до уровня л 0,5 Don. В момент времени ti конденсатор 12 начинает разряжаться через диод 10, а на Q-выходе D-триггера 14 появляется высокий уровень напряжения длительностью ti-t2, определяемой временем заряда конденсатора 25 через резистор 20 до уровня « 0,5 U0n. В момент времени t2 конденсатор 25 начинает разряжаться через диод 16. Сигналы с Q-вы- ходов D-триггеров 13 и 14 суммируются по длительности с помощью диодов 15 и 17 и на интервале времени t0-t2 по цепи транзистор 9 - резистор 22 - диод 19 поступают на четвертый вход ШИМ 5, срывая управляющие импульсы с выхода ШИМ. За интервал времени ti-t2 конденсатор 12 успевает полностью разрядиться, за интервал времени конденсатор 25 успевает полностью разрядиться.

В интервале времени осуществляется пробное включение стабилизатора. Длительность этого интервала определяется временем нарастания тока через датчик 1 тока до ср.защ и процессы в стабилизаторе повторяются аналогично описанному выше. Таким образом, выполнение блока защиты из двух последовательно соединенных D- триггеров с зарядными цепями обеспечивает гарантированное по длительности выключение стабилизатора в режиме проб. Время выключения стабилизатора при этом определяется параметрами зарядных цепей (11-12, 20-25) 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 задан- ного 1Ср.защ. значения. Выбором цепей заряда 11-12 и 20-25 возможно регулировать средний ток стабилизатора в режиме проб при его перегрузке в широком диапазоне от 30 до 3% от номинального. Параметры цепей заряда желательно выбирать близкими по номиналам,

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

В интервале времени ti-t2 (фиг. 3) D- триггеры 13 и 14 формируют выключающий сигнал по цепи 15-17-21 - четвертый вход ШИМ 5. При этом конденсатор 26 через эмиттерный повторитель на транзисторе 9 и резисторе 22 заряжается до U0. В момент времени ta D-триггеры 13 и 14 успевают установиться в исходное состояние, а выключенное состояние стабилизатора поддерживается напряжением на конденсаторе 26, которое подается на четвертый вход ШИМ 5 через диод 19. С момента -времени tz происходит плавный разряд конденсатора 26 и, следовательно, плавное нарастание по длительности выходных импульсов ШИМ 5. За счет этого обеспечивается регулируемая за счет разряда конденсатора 26 скорость нарастания тока в силовой части 2 стабилизатора и полностью исключаются броски тока в ней.

В интервал времени ti-ta (фиг. 3) заряжается конденсатор 27 через диод 18 и резистор 23 до величины - --, где п число установленных проб при перегрузке стабилизатора. Если перегрузка стабилизатора будет такой по длительности, при которой блок защиты вырабатывает подряд п число проб, конденсатор 27 в момент времени ts зарядится до напряжения 0,5 Don и D-триггеры 13 и 14 установятся в состояние, при котором на их Q-выходах появится не регулируемый по длительности высокий уровень напряжения. При этом стабилизатор выключится. Повторное включение стабилизатора производится прерыванием питающего напряжения на время разряда конденсатора 27.

Резистор 24 служит для разряда конденсатора 27 при перегрузке по току длительностью менее п числа длительностей проб.

Тактовая частота микросхемы Да1 (фиг, 4) задается резистором R1 и конденсатором С2. Резистором R2 задается ток управления фазорасщепителя, Цепь СЗ - 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 R5 устанавливается коэффициент усиления по цепи обратной связи, конденсаторами С4 и С5 производится коррекция частотной характеристики усиления обратной 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), автоматического выключения стабилизатора при длительных перегрузках, повышена надежность стабилизатора. Кроме того, в предлагаемом стабилизаторе предусматривается возможность регулировки допустимой разовой длительности перегрузки и длительности выключенного

0 состояния силовой части в режиме проб. Формула изобретения Ключевой стабилизатор постоянного напряжения, содержащий датчик тока и силовую часть, включенные последовательно

5 между входным и выходным выводами,делите ль выходного напряжения, подключенный между выходным выводом и общей шиной, при этом, управляющий вход силовой части через согласующий усилитель подключен к

0 выходу широтно-импульсного модулятора, первый вход которого подключен к выходу делителя выходного напряжения, второй вход - к первому выходу источника опорного напряжения, а третий вход - к выходу

5 делителя 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

0 с первым входом порогового элемента блока защиты,включающего в себя также транзистор, первый диод, катодом соединенный через первый резистор с первым выводом первого конденсатора, второй вывод кото5 рого подключен к общей шине, к которой также подключены второй вход порогового элемента и четвертый вход широтно-импульсного модулятора, отличающийс я тем, что, с целью повышения надежности, в блок

0 защиты введены два D-триггера второй, третий, четвертый, пятый и шестой диоды, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, второй, третий и четвертый конденсаторы, причем выход порогового эле5 мента соединен со счетным входом первого D-триггера, R-вход которого соединен с первым выводом первого конденсатора и анодом первого диода, Q-выход первого D-триггера подключен к катоду первого и

0 аноду второго диода, 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 D-триггера сое5 динен с катодом третьего диода, вторым выводом второго резистора и анодами четвертого и пятого диодов, катод четвертого диода соединен с катодом второго диода, базой транзистора и первым выводом третьего резистора, коллектор транзистора соединен с вторым входом широтно-импульс- ного модулятора и D-входами обоих D-триг- геров, а эмиттер через четвертый резистор - с первым выводом третьего конденсатора и анодом шестого диода, катод которого соединен с введенным пятым входом широтно- импульсного модулятора, обеспечивающим срыв управляющих импульсов, и вторым выводом третьего резистора, катод пятого диода через пятый резистор соединен с первыми выводами четвертого конденсатора и шестого резистора и S-входами обоих D-триггеров, вторые выводы третьего и четвертого конденсаторов и шестого резистора соединены с общей шиной.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. Цель - повышение надежности стабилизатора. Стабилизатор содержит датчик 1 тока, силовую часть 2.делитель 3 выходного напряжения, широтно-импульсный модулятор 5, источник 6 опорного напряжения, делитель 7 опорного напряжения и блок защиты, состоящий из порогового элемента 8, транзистора 9, диода 10, резистора и конденсатора 12. В устройство введены два D-триггера 13 и 14, пять диодов 15-19, пять резисторов 20- 24 и три конденсатора 25-27. При превышении током значения срабатывания пороговый элемент запускает последовательно включенные D-триггеры, импульсы с выходов которых суммируются по усилительности и поступают на соответствующий вход ШИМ, который отключает силовую часть устройства. Причем за время действия импульса с выхода второго триггера зарядные цепи первого триггера полностью подготавливаются к повторному включению. Одновременно конденсатор 27 заряжается до уровня 0,5 Von/n, если перегрузка не будет устранена за п повторных включений, D-триггеры устанавливаются в состояние, при котором очередное включение устройства может быть осуществлено после снятия питающего напряжения на время разряда конденсатора 27. 4 ил. БА ок защиты w fe VI ю IS СЛ 4Ь

to 6f tit

50

I7V7V

32

ТУ А А

JV Фиг. 2

А

0,$Уы

V

0,SVt

Off

к

fbt. Д

Ъп.Ч

Ч41