Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

По основному авт.св. № 1638775 известен стабилизированный однотактный преобразователь напряжения, содержащий однотактный инвертор с цепью размагничивания и выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через последовательно соединенные дроссель насыщения, выпрямительный диод и LCD-фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, а также токовый регулятор, управляющий вход которого через измерительно-усилительный узел подключен к выходным выводам, а силовые выводы токового регулятора подключены параллельно выпрямительному диоду. Токовый регулятор выполнен в виде последовательно соединенных транзистора итокоограничительного резистора, причем в качестве транзистора регулятора может быть использован фототранзистор оптоэлектронной пары, светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора. Токовый регулятор может быть выполнен также в виде фоторезистора оптоэлектронной пары, светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора. Стабилизация выходного напряжения осуществляется посредством изменения ширины импульсов на входе LCD-фильтра с помощью дросселя насыщения, время перемагничивания, которого изменяется под действием тока управления 1 В, поступающего с выхода токового регулятора.

Недостатками известного устройства являются увеличение массогабаритных показателей из-за значительных габаритов сглаживающего фильтра и, как следствие, плохие динамические характеристики в переходных режимах, возникающих при пуске преобразователя и его работе на изменяю- щуюся нагрузку. Указанные недостатки обусловлены тем, что модуляция ширины импульсов на входе LCD-фильтра осуществляется на полную глубину (100%-ная ШИМ). В результате ухудшается гармонический состав напряжения на входе фильтра, что при заданной амплитуде пульсации напряжения на нагрузке приводит к увеличению тре- буемого коэффициента сглаживания, а следовательно, массы и габаритов фильтра. Кроме этого, из-за наличия инерционного LCD-фильтра в контуре регулирования значительно возрастают пусковые токи в элементах схемы при включении преобразователя, а также увеличивается динамическая нестабильность выходного

напряжения при его работе на импульсную нагрузку, т.е. ухудшаются динамические характеристики преобразователя в переходных режимах.

Цель изобретения - уменьшение массогабаритных показателей и улучшение динамических характеристик преобразователя в переходных режимах.

Поставленная цель достигается тем, что

0 в стабилизированный однотактный преобразователь напряжения введен диод, подключенный между одним из входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выход5 нота трансформатора.

Благодаря введению дополнительного диода в интервале прямого перемагничивания дросселя насыщения на входе фильтра создается некоторое положительное

0 напряжения вольтодобавки, частично заполняющие нулевую паузу. В результате уменьшаются амплитуды гармонических составляющих напряжения на входе фильтра и для их фильтрации требуется фильтр мень5 ших габаритов и массы.

На фиг.1 представлена схема преобразователя; на фиг.2 - графики, поясняющие его работу; на фиг.З и 4 - различные варианты выполнения токового регулятора и спо0 собы его подключения к измерительному узлу.

Преобразователь содержит однотактный инвертор 1 с цепью 2 размагничивания и выходным трансформатором 3 с вторич5 ной обмоткой 4, дроссель 5 насыщения, выпрямительный диод 6, LCD-фильтр 7, диод 8 и выходные выводы 9 и 10, подключенные к нагрузке 11, Инвертор 1 содержит последовательно соединенные первичную обмотку

0 выходного трансформатора 12 и силовой транзистор 13, подключенные к входным выводам 14 и 15, и систему 16 управления. Цепь размагничивания выходного трансформатора 3 состоит из диода 17 и размаг5 ничивающей обмотки 18. Токовый регулятор 19 с силовыми выводами 20 и 21 состоит из токоограничительного резистора 22 и регулирующего транзистора 23. При этом силовой вывод 21 токового регулятора является

0 одним из входных выводов LCD-фильтра. Управляющий вход 24 токового регулятора соединен с выходом измерительно-усилительного узла 25 с входными выводами 26 и 27, состоящего из потенциометра 28, стаби5 литрона 29, усилительного транзистора 30 и нагрузочного сопротивления 31. Между одним из входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора 32 включен диод 33.

Преобразователь работает следующим образом.

Под действием импульсов системы 16 управления силовой транзистор 13 периодически переключается с частотой f. Когда транзистор 13 открыт, напряжение на обмотках выходного трансформатора 3 имеет полярность, указанную на фиг.1 без скобок. При этом диод 17 цепи 2 размагничивания закрыт обратным напряжением, равным сумме напряжений входного источника Е и размагничивающей обмотки 18. При запирании транзистора 13 полярность напряжения на обмотках трансформатора 3 изменяется на противоположную (показана в скобках). Диод 17 открывается и в интервале закрытого состояния транзистора 13 происходит размагничивание сердечника выходного трансформатора 3 напряжением Е, приложенным к обмотке 18. В результате на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 формируется переменное прямоугольное напряжение Ua с длительностью импульса tH и периодом Т (фиг,26). Для надежного размагничивания сердечника трансформатора коэффициент заполнения управляющих импульсов транзистора 13 выбирают из условия уь Т.Н/Т 0,5 (с целью уменьшения габаритов трансформатора и фильтра, а также снижения амплитуды токов через силовые элементы коэффициент заполнения у0 целесообразно выбирать близким к 0,5). Напряжение вторичной обмотки трансформатора через последовательно соединенные дроссель 5 насыщения, выполняющий функцию широтно-импульсного модулятора, и выпрямительный диод 6 поступает на вход LCD-фильтра 7 и через него в нагрузку. Дроссель 5 насыщения выполнен на сердечнике из материала с узкой прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ)(фиг.2а). В качестве материала сердечника используется пермаллой, феррит с ППГ или аморфные магнитно-мягкие сплавы. К началу каждого рабочего цикла магнитное состояние сердечника дросселя 5 насыщения характеризуется точкой I на петле гистерезиса (фиг.2а), в момент времени to (фиг.2б) отпирается силовой транзистор 13 и на вторичной обмотке 4 трансформатора 3 появляется напряжение с полярностью, указанной на фиг.1 без скобок. При этом открывается диод 33 и к входу LCD-фильтра прикладывается напряжение U 2 с амплитудой Е 2 , снимаемое с нижней секцией вторичной обмотки трансформатора. Одновременно в момент to отпирается выпрямительный диод 6 и сердечник дросселя 5 начинает перемагничиваться. На этапе

прямого перемагничивания индуктивность обмотки дросселя насыщения валика и в цепи диода 6 протекает небольшой по величине ток намагничивания сердечника. При этом практически все напряжение (l)2-U 2), снимаемое с верхней секции вторичной обмотки трансформатора, через диод 33 приложено к дросселю насыщения (фиг.2в). Время перемагничивания дросселля 5 до 0 состояния насыщения определяется соотношением

WScAB

tneP1IT

E2 - Ј2

О)

0

0

5

5 где W - число витков верхней секции вторичной обмотки;

Sc - площадь сечения сердечника; Е2, Е 2 -амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора и на его нижней секции соответственно;

А В - приращение магнитной индукции в сердечнике за время перемагничивания (фиг.2а).

В интервале времени to...ti диод 33 от° крыт и на входе LCD-фильтра действует напряжение Е2 (напряжение вольтодобавки), снимаемое с нижней секции вторичной обмотки трансформатора, которое частично заполняет нулевую паузу во входном напря0 жении фильтра (фиг.2г), улучшая его гармонический состав. Под действием этого напряжения ток в дросселе фильтра, равный сумме токов диодов 6 и 33, возрастает со скоростью, определяемой разностью напряжений Е 2 - ивых. Диод 8 при этом закрыт обратным напряжением U 2 . Когда сердечник дросселя 5 перемагнитится до состояния насыщения (момент времени ti), индуктивность его обмотки, а следовательно, напряжение на дросселе Удн резко падают. При этом диод 33 закрывается и практически все напряжение вторичной обмотки Е2через выпрямительный диод 6 прикладывается ко входу LCD-фильтра (фиг.2г). В интервале времени ti...t2 на входе фильтра действует напряжение с амплитудой Е2, под действием которого ток в дросселе фильтра продолжает увеличиваться со скоростью, определяемой разностью напряжений )Вых. К диоду 33 на этом интервале приложено обратное напряжение, снимаемое с верхней секции вторичной обмотки трансформатора. К концу рабочего такта (момент времени t2) напряженность поля в сердечнике дросселя насыщения достигает величины, соответствующей абсциссе точки Г (фиг.2а). В момент t2 (фиг.2в) силовой транзистор 13 выключается и напряжение на обмотках выходного трансформатора

приобретает полярность, показанную в скобках. При этом выпрямительный диод б закрывается и ток нагрузки переходит в цепь диода 8. С этого момента начинается размагничивание сердечника дросселя насыщения отрицательным током управления ly, поступающим с выхода токового регулятора 19, который протекает по цепи: вторичная обмотка 4 трансформатора 3, диод 8, переход эмиттер - коллектор транзистора 23, резистор 22, обмотка дросселя 5 насыщения. На интервале размагничивания к обмотке дросселя 5 приложено напряжение

ид„ U2 - ид8 - Up,(2)

где 1)2 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

иД8 - прямое падение напряжение на открытом диоде 8;

Up - падение напряжения на силовых выводах токового регулятора.

Диод 33 в указанном интервале времени остается закрытым, так как через диод 8 к нему приложено запирающее напряжение . К концу интервала размагничивания (момент тз) индукция в сердечнике дросссе- ля насыщения под действием напряженности поля, создаваемой током управления 1У, уменьшается до первоначальной величины, определяемой ординатой точки I на петле гистерезиса (фиг.2а). В момент гз открывается транзистор 13, на вторичной обмотке трансформатора появляется положительное напряжение, и далее процессы в схеме повторяются.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется посредством применения величины тока управления ly с помощью токового регулятора 19, управляющий вход 24 которого соединен с выходом измерительно-усилительного узла 25. При откло- ненйи выходного напряжения от номинального значения, например при его увеличении, возрастает коллекторный ток транзистора 30, а следовательно, и базовый ток транзистора 23. Это приводит к уменьшению напряжения эмиттер - коллектор транзистора 23 и увеличению тока управления ly на выходе токового регулятора. Вследствие увеличения управляющего тока размагничивающие ампервитки дросселя насыщения возрастают и в преобразователе устанавливается новый режим, при котором к концу интервала размагничивания магнитное состояние сердечнике будет уже характеризоваться точкой II на петле гистерезиса (фиг.2а). Это приводит к увеличению размаха индукции А В и в соответствии с выражением (1) к увеличению времени пере- магничивания дросселя tnep в рабочем такте. В результате длительность импульса с амплитудой Е2 на входе фильтра уменьшается, а среднее значение выходного напряжения ивых поддерживается на заданном

уровне. При уменьшении выходного напряжения, например, вследствие снижения питающего напряжения или увеличения тока нагрузки работа схемы стабилизации протекает в обратной последовательности.

0 В качестве транзистора регулятора может быть использован фототранзистор опто- электронной пары (фиг.З), светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора и подключен к выходу изме5 рительно-усилительного узла. При изменении выходного напряжения под действием дестабилизирующих факторов изменяется ток I на выходе измерительно-усилительного блока, а следовательно, световой поток на выходе

0 светоизлучателя, что риводит к изменению коллекторного тока фототранзистора 23 и времени перемагничивания дросселя насыщения. С целью повышения стабильности выходного напряжения токовый регулятор

5 может быть также выполнен в виде фоторезистора оптоэлектронной пары (фиг.4), светоизлучатель которой является управляющим входом токового регулятора и подключен к выходу измерительно-усили0 тельного узла. При изменении выходного напряжения изменяется ток I на выходе измерительно-усилительного блока и световой поток на выходе светоизлучателя, что приводит к изменению сопротивления фо5 тотранзистора 23, а следовательно, тока управления ly и времени перемагничивания дросселя насыщения.

Таким образом, благодаря введению диода 33, подключенного между одним из

0 входных выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора, в предлагаемом преобразователе на интервале прямого перемагничивания дросселя

5 t0...ti на входе фильтра действует некоторое отличное от нуля положительное напряжение вольтодобавки с амплитудой Е2 , благодаря чему уменьшается длительность нулевой паузы во входном напряжении

0 фильтра и, следовательно, улучшается его гармонический состав. Это позволяет получить заданную амплитуду пульсации напряжения на нагрузке при меньшем коэффициенте сглаживания фильтра, т.е.

5 при меньшем произведении LC, а следовательно, уменьшить массогабаритные показатели преобразователя. Кроме этого, уменьшение постоянной времени фильтра снижает инерционность контура регулиро- вания, в результате чего уменьшаются пусковые токи и перенапряжения на конденсаторе фильтра при включении преобразователя, а также провалы и выбросы выходного напряжения при набросах и сбросах нагрузки, т.е. улучшаются динамические характеристики преобразователя в переходных режимах. Формула изобретения Стабилизированный однотактный преобразователь напряжения по авт.св.

№ 1638775, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массогабаритных показателей и улучшения динамических характеристик в переходных режимах, в него введен дополнительный диод, подключенный между одним из выводов LCD-фильтра и дополнительно введенным отводом вторичной обмотки выходного трансформатора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано.в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - уменьшение массогабаритных показателей и улучшение динамических характеристик преобразователя в переходных режимах. В преобразователь введены дополнительный отвод 32 вторичной обмотки трансформатора 3 и дополнительный диод 33, включенный между одним из входов LCD-фильтра 7 и отводом 32. На интервале прямого перемаг- ничивания дросселя на входе фильтра действует некоторое отличное от нормы положительное напряжение, благодаря чему уменьшается длительность нулевой паузы во входном напряжении фильтра, В результатеулучшается гармонический состав фильтра, что позволяет уменьшить его массу и габариты. Уменьшение постоянной времени фильтра позволяет улучшить динамические показатели преобразователя. 4 ил. (Л С

Фиг.2.

Фиг.З

риг.