Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M7/538 

V|

N3 00 Ю СП О

лителя 2, входящего в задающий генератор 1. Поэтому длительность открытого состояния каждого блокирующего транзистора 19, 21 и соответственно закрытого состояния силового транзистора 18, 20 превышает

длительность полупериода, и на выходе полумостового инвертора 17 формируется прямоугольное напряжение с параметрически изменяющейся по длительности нулевой паузой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение качества выходного напряжения путем повышения его стабильности. Силовые транзисторы 18, 20 полумостового инвертора 17 управляются током, проходящим по цепям питания второго 7 и третьего 8 операционных усилителей, выполняющих соответственно функции промежуточного усилителя и модулятора ширины импульсов. На входе третьего операционного усилителя 8 сравниваются напряжения на конденсаторе интегрирующей RC-цепочки З и на двуханоднрм стабилитроне 5 с учетом делителя напряжения, образованного восьмым резистором 16 и седьмым резистором 15. В результате такого, сравнения переключение третьего операционного усилителя 8 происходит со сдвигом по фазе относительно первого операционного усиУ Ё

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, в частности импульсной стабилизацими в процессе преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный или с последующим преобразованием снова в постоянное напряжение иной величины и с гальванической развязкой между входом и выходом.

Известна система управления ключевым регулятором двухтактного преобразователя, содержащая три операционных усилителя, первый из которых работает в схеме задающего генератора прямоуголь- ного напряжения мультивибраторноготипа. Устройство обратной связи выходом подключено через резисторы к первым входам второго и третьего операционных усилителей, к которым через диоды подключены также инверсные выходы каскада для получения взаимоинверсных колебаний.

Недостатком системы является то, что управляющие напряжения, подаваемые на транзисторы усилителя мощности, не име- ют паузы в течение двух полупериодов. Поэтому при смене слитных полупериодов возможно появление сквозных токов транзисторов усилителя мощности. Кроме того, идентичность длительности смежных им- пульсов управления транзисторами усилителя мощности не гарантируется, особенно при малых длительностях управляющих импульсов, за счет неизбежного различия параметров операционных усилителей и различной крутизны нарастания и спада пилообразного напряжения.

Известен также транзисторный конвертор, в котором компаратор имеет те же связи с интегрирующей RC-цепью задающего генератора и устройством обратной связи (усилителем рассогласования), один общий для обоих управляющих выходов задающий генератор выполнен асимметричным, а между его выходом и базами транзисторов усилителя мощности установлен делитель частоты.

Недостатком является невысокое значение КПД, так как управляющие базовые

токи транзисторов усилителя мощности формируются из первичной сети и большая мощность рассеивается в токоограничи- тельных резисторах.

Наиболее близким к предложенному является стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых конденсаторах и двух силовых транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу преобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора, задающий генератор, выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор этой цепочки с точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового инвертора, а вторичной обмоткой - к выходным выводам преобразователя, и восемь резисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, причем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к выходу задающего генератора.

Недостаток преобразователя заключается в том, что при стабилизации по возмущениям питающей сети коэффициент стабилизации оказывается небольшим (7- 10) из-за изменения крутизны (наклона) кривой нарастания пилообразного напряжения перед пересечением с опорным напряжением. Так как данное пересечение состоится при уменьшившейся крутизне пилообразного напряжения, изменение скважности выходного напряжения производится непропорционально напряжению первичного питания.

Недостатком прототипа является также ограничение выходной мощности, вследствие того, что базовый ток силовых транзисторов инвертора не может быть больше допустимого для двуханодных стабилитронов.

Кроме того, при предельном низком первичном напряжения питания, близком к срыву стабилизации, возникают сквозные токи обоих силовых транзисторов инвертора, приводящие к излишнему потреблению тока, становится под вопрос надежность, генерируются помехи.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения путем повышения его стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем полу- мостовой инвертор, выполненный на двух силовых конденсаторах и двух силовых транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу преобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора, задающий генератор, выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор этой цепочки с точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового, инвертора, а вторичной обмоткой - к выходным выводам преобразователя, и восемь резисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, причем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к выходу задающего генератора, промежуточный усилитель и широтно-импульсный модулятор выполне- н-ы соответственно на втором и третьем операционных усилителях, питающие выводы соответствующей полярности которых объединены и подключены к базам соответствующих силовых транзисторов, точки соединения первого резистора с вторым и третьего резистора с четвертым подключены к базам соответствующих блокирующих транзисторов и через соответственно пятый и шестой резисторы к выходу третьего операционного усилителя, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через двуханодный стабилитрон с точкой соединения силовых конденсаторов и через балластный резистор с выходом этого усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к точке соединения силовых конденсаторов, а выход соединен через

0 седьмой резистор с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, при этом меж5 ду неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей включен восьмой резистор. Кроме того, для получения постоянного выходного напряжения на выходе между вторичной

0 обмоткой силового трансформатора и выходом преобразователя включены последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, а седьмой резистор выполнен управляемым в виде опторезистора, светоди5 од которого через введенный девятый резистор подключен к выходу введенного узла обратной связи, входом подключенного к выходным выводам преобразователя, а для устранения сквозных токов транзисто0 ров инвертора выход опторезистора шунтирован десятым резистором.

На фиг.1 представлена схема стабилизированного преобразователя постоянного напряжения с полумостовым инвертором;

5 на фиг.2 - схема для случая выхода на постоянном токе и стабилизации постоянного напряжения непосредственно на нагрузке: на фиг.З - диаграммы напряжений в характерных точках схемы.

0Преобразователь содержит задающий

генератор 1, состоящий из операционного усилителя 2, интегрирующий RC-цепи З, узла 4 опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного

5 стабилитрона 5 и балластного резистора 6. На втором операционном усилителе 7 выполнен промежуточный усилитель. Широтно-импульсный модулятор 8 выполнен на третьем операционном усилителе. Первый

0 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, пятый 13. шестой 14, седьмой 15 и восьмой 16 резисторы образуют связи между узлами с полумостовым инвертором 17. Инвертор содержит первый силовой транзистор 18 р-п5 р-типа, первый блокирующий транзистор 19 p-n-p-типа, второй силовой транзистор 20 n-p-n-типа, второй блокирующий транзистор 21 n-p-n-типа. Первый 22 и второй 23 силовые конденсаторы, а также трансфор- матор 24 с первичной 25 и вторичной 26

обмотками вместе с транзисторами 18 и 20 соединены в схему полумостового инвертора.

В задающем генераторе 1 интегрирующая RC-цепочка З включена между выходом операционного усилителя 2 и его инвертирующим входом. Узел 4 опорного напряжения входом подключен к выходу операционного усилителоя 2, а выходом - к инвертирующему входу операционного усилителя 2. В инверторе 17 эмиттеры транзисторов 18 и 19 подключены к входному выводу преобразователя положительной полярности, а эмиттеры транзисторов 20 и 21 - к входному выводу преобразователя отрицательной полярности. Базы транзисторов 19 и 21 образуют соответственно первый и второй входы инвертора, а базы транзисторов 18 и 20, соединенные соответственно с коллекторами транзисторов 19 и 20, - третий и четвертый входы инвертора 17. Коллекторы транзисторов 18 и 20 соединены между собой и подключены к первичной обмотке 25 трансформатора 24, второй вывод которой соединен с общей точкой последовательно соединенных силовых конденсаторов 22 и 23, противоположными выводами соединенных с входными выводами преобразователя. К этим шинам питания подключены также последовательно соединенные резисторы 9-12, у которых общие точки первого с вторым, второго с третьим и третьего с четвертым подключены соответственно к первому входу инвертора, к выходу задающего генератора 1 и второму входу инвертора 17. К первому и второму входам инвертора через резисторы 13 и 14 соответственно подключен также выход ши- ротно-импульсного модулятора 8. Выход за- дающего генератора 1 подключен к инвертирующему входу усилителя 7. Выход этого усилителя через резистор 15 подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора, которым при использовании операционного усилителя 8 является его неинвертирующий вход. Этот же вход через резистор 16 подключен к выходу источника 4 опорного напряжения. Инвертирующий вход операционного усилителя 2 соединен с выходом интегрирующей RC-це- почки 3, входящей в схему задающего генератора 1.

В описываемом варианте конкретного выполнения цепи питания операционного усилителя 2 подключены к шинам первичного питания, а общая точка узла 4 опорного напряжения и RC-цепочки З - к общей точке силовых конденсаторов 22 и 23. Выходом преобразователя является вторичная обмотка 26 трансформатора 24.

В преобразователе по фиг.2 между обмоткой 26 и выходом преобразователя включены выпрямитель 27 и фильтр 28. В стабилизированном преобразователе по

фиг.2 к выходным выводам устройства подключен первый вход узла 29 обратной связи, на второй вход которого подается эталонное (опорное) напряжение.

Резистор 15 заменен управляемым оп0 торезистором 30, в котором резистор 15 выполняет роль исполнительного элемента (фотоприемника). Фотодатчиком является светодиод 31, подключенный через девятый резистор 32 к выходу узла 29 обратной свя5 зи.

На диаграммах (фиг.З) показаны напряжения: 33 - на выходе задающего генератора 1 относительно общей точки интегрирующей RC-цепочки и узла 4 опор0 ного напряжения (общей точки конденсаторов 22 и 23); 34 - на выходе узла 4 опорного напряжения; 35 - на выходе усилителя 7 (относительно той же точки); 36 - на инвертирующем входе широтно-импульсного мо5 дулятора 8; 37 - на неинвертирующем входе широтно-импульсного модулятора 8; 38 - на выходе широтно-импульсного модулятора 8; 39 - на выходе инвертора 17 (на вторичной обмотке 26 трансформатора 24); 40 0 возможный вариант видоизменения напряжения на неинвертирующем входе широтно-импульсного модулятора 8 при преобладании на нем напряжения с выхода инвертирующего усилителя 7 реализуется

5 наиболее вероятно в варианте преобразователя по фиг.2); 41 - на выходе широтно- импульсного модулятора 8 при обработке им сигналов 40 и 36; 42 - на выходе инвертора 17 в случае, если форма напряжения на

0 выходе широтно-импульсного модулятора соответствует диаграмме 41.

Стабилизированный преобразователь работает следующим образом.

При работе задающего генератора 1

5 (фиг.1), формирующего напряжение 33 прямоугольной формы (фиг.З), одновременно получается и опорное напряжение 34 за счет подключения входа узла 4 опорного напряжения к выходуоперационногоусили0 теля 2. Принцип действия задающего генератора, видоизмененного таким образом, не отличается от стандартной схемы.

Опорное напряжение 34, функционально используемое в задающем генераторе,

5 одновременно используется для широтно- импульсного модулятора 8. Пилообразное напряжение 36, снимаемое с выхода интегрирующей RC-цепочки З, стабилизировано и пропорционально опорному, так как после каждого переключения операционного усилителя задающего генератора напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 стремится к напряжению, установившемуся с начала полупериода на неинвертирующем входе и достигает его к концу текущего полупериода, вслед за чем производится следующее переключение. Пилообразное напряжение 36 используется не только для работы задающего генератора 1, но и для действия широтно-импульсно- го модулятора 8.

Под воздействием выходного напряжения 33 задающего генератора 1 на первый и второй входы полумостового инвертора 17 через резисторы 10 и 11 поочередно открываются транзисторы 19 и 21, которые, открываясь, своими переходами коллектор - эмиттер шунтируют базоэмиттерные переходы транзисторов 18 и 20, в базы которых по третьему и четвертому входам инвертора постоянно (за исключением периодов шунтирования) втекает ток, потребляемый усилителем 7 и широтно-импульс- ным,модулятором 8.

Управление транзисторами 19 и 21 со стороны толь ко за дающего генератора 1 позволяет закрывать каждый из силовых транзисторов 18 и 20 так, что в любое время один из этих транзисторов открыт на полную длину полупериода.

Чтобы стабилизировать получаемое переменное напряжение путем дальнейшего регулирования длительности включенного состояния транзисторов 18 и 20 в ходе рабочего для них полупериода используется широтно-импульсный модулятор 8. Через резисторы 15 и 16 на неинвертирующий вход операционного усилителя 8 одновременно поступают инвертированное напряжение 35 задающего генератора 1 и опорное напряжение 34, которое имеет ту же фазу, что и выходное напряжение задающего генератора 1. Сложение обоих напряжений на неинвертирующем входе операционного усилителя модулятора 8 дает результирующее напряжение 37 той же фазы, что и опорное, но меньшей амплитуды (эпюра 36), или будет образовано напряжение противоположной фазы относительно опорного, т.е. примет фазу напряжения, снимаемого с инвертирующего усилителя 7, в зависимости от соотношения сопротивления резисторов 15 и 16. Как частный случай, возможно получение нуля напряжения, если соотношение величин сопротивлений обоих резисторов будет такое же, как и амплитуд двух напряжений. Амплитуда прямоугольного напряжения на выходе операционного усилителя 7 определяется величиной напряжения первичного

питания, близка к нему и прямо пропорциональна ему. В результате сравнения напряжений 36 и 37 на обоих входах модулятора 8 получается также прямоугольное напряжение, но сдвинутое по фазе вперед (диаграмма 38). Это напряжение через резисторы 13 и 14 попеременно возбуждает ток первого и второго входов инвертора наряду с напряжением задающего генератора, при0 чем благодаря наличию резисторов 9 и 12 открытый транзистор 19 может быть только при отрицательной полуволне прямоугольного напряжения на выходе модулятора 8, а открывает транзистор 21 только положи5 тельная полуволна. Сигналы на открывание транзисторов 19 и 21 складываются от задающего генератора и от широтно-импульсно- го модулятора, причем по логическому принципу ИЛИ. Поэтому каждый из транзи0 сторов 19 и 20 оказывается открытым, а транзисторы 18 и 20 - закрытыми больше, чем на половину полупериода колебаний задающего генератора. В выходном напряжении инвертора 17 образуется пауза

5 (диаграмма 39). когда ток потребления инвертирующего усилителя 7 и широтно-им- пульсного модулятора 8 будет проходить исключительно по переходам коллектор- эмиттер транзисторов 19 и 21. Пауза зани0 мает тем большую часть полупериода, чем меньше прямоугольное напряжение на неинвертирующем входе модулятора 8, если его фаза совпадает с опорным, и далее по мере перехода напряжения на неинверти5 рующем входе модулятора 8 через нуль - чем больше будет напряжение на инвертирующем входе модулятора 8, если оно примет обратную фазу относительно опорного. В частном случае нуля напряжения на неин0 вертирующем входе модулятора 8 каждая пауза будет занимать четверть периода. Процесс регулирования длительности паузы на изменившейся фазе напряжения неинвертирующего входа модулятора 8

5 поясняется диаграммами 40 (наложенной на диаграмму 36), 41 и 42, аналогичными диаграммам 37-39. Напряжение на неинвертирующем входе модулятора 8 будет тем меньшим при одинаковой фазе с опорным и

0 тем большим при обратной фазе, чем большим будет напряжение первичной сети, ввиду все нарастающего различия разно- фазных напряжений на несоединенных между собой выводах резисторов 15 и 16.

5 Так как выходное напряжение операционного усилителя 7 находится в прямо пропор- циональной зависимости от уровня напряжения первичного питания, то скважность импульсного двухполярного напряжения на вторичной обмотке 26

/

трансформатора 24 обретает ту же прямо пропорциональную зависимость от напряжения первичного питания, что обуславливает стабильность вольт-секундной площади полупериодов прямоугольного напряжения, получаемого на выходе инвертора.

Если для потребителя стабильность выходного напряжения вследствие изменения тока нагрузки оказывается недостаточной, реализуется дополнительное регулирование уровня и фазы прямоугольного напряжения на неинвертирующем входе модулятора 8 с помощью узла 29 обратной связи, который сравнивает фактическое выходное напряжение с эталонным и воздействует на светодиод 31 оптрона 30, подключенного через резистор 32 к выходу узла 29. Образующаяся система автоматического регулирования устанавливает такой ток светодиода, который позволил бы достичь необходимое соотношение сопротивлений фоторезистора 15 и резистора 16 для поддержания неизменным выходного напряжения постоянного тока. По мере увеличения тока нагрузки, когда появляется тенденция понижения выходного напряжения, ток светодиода 31 снижается, сопротивление резистора 15 увеличивается, а скважность напряжения обмотки 26 уменьшается. Уменьшение тока нагрузки, вплоть до перехода на холостой ход, вызывает изменение указанных параметров в обратную сторону. Имеем, таким образом, как ив прототипе, двухконтурную систему автоматического регулирования, отрабатывающую изменение скважности выходного напряжения инвертора непосредственно по возмущениям напряжения сети первичного питания и дополнительное управления этой скважностью оптроном по цепи обратной связи с выводов нагрузки.

По мере понижения входного напряжения пауза в переменном напряжении на выходе преобразователя уменьшается. Это напряжение принимает прямоугольную форму, и далее возникают сквозные токи через силовые транзисторы инвертора. Преобразователь приходит к такому состоянию из-за того, что сопротивление резистора 15 оптрона при начавшемся понижении выходного напряжения относительно номинального значения резко увеличивается, стремясь к своей предельной величине. Опорное напряжение прикладывается к неинвертирующему входу операционного усилителя с полной амплитудой, и разность фаз между опорным напряжением и выходом операционного усилителя исчезает.

Чтобы не допустить возникновения сквозных токов в этом предельно динамиче- скоем участке регулирования и исключить их появление при пуске преобразователя,

когда выходное напряжение, нарастая, еще не достигло номинального значения, формируется гарантированная пауза путем включения одного резистора параллельно фотоприемнику (резистору 15) оптрона 30.

0 Формула изобретения

5 транзисторах разного типа проводимости, каждый из которых подключен эмиттером к соответствующему входному выводу преобразователя и шунтирован по входной цепи блокирующим транзистором того же типа

0 проводимости, широтно-импульсный модулятор, промежуточный усилитель, узел опорного напряжения в виде последовательно соединенных двуханодного стабилитрона и балластного резистора,

5 задающий генератор, выполненный на первом операционном усилителе, инвертирующий вход которого через резистор интегрирующей RC-цепочки соединен с выходом первого операционного усилителя и

0 через конденсатор этой цепочки с точкой соединения силовых конденсаторов, силовой трансформатор, первичной обмоткой подключенный к выходу полумостового инвертора, а вторичной обмоткой связанный с

5 выходными выводами преобразователя, и восемь резисторов, из которых первый, второй, третий и четвертый соединены в последовательную цепочку, включенную между входными выводами преобразователя, при0 чем точка соединения второго и третьего резисторов подключена к выходу задающего генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения путем повышения его стабиль5 ности, промежуточный усилитель и широтно-импульсный модулятор выполнены соответственно на втором и третьем операционных усилителях, питающие выводы соответствующей полярности которых

0 объединены и подключены к базам соответствующих силовых транзисторов, точки соединения первого резистора с вторым и третьего резистора с четвертым подключены к базам соответствующих блокирующих

5 транзисторов и через соответственно пятый и шестой резисторы к выходу третьего операционного усилителя, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен через двуханодный стабилитрон с точкой соединения силовых конденсаторов и через балластный резистор с выходом этого усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к точке соединения силовых конденсаторов, а выход соединен через седьмой резистор с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, при этом между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей включен восьмой резистор.

ного выходного напряжения связь между вторичной обмоткой силового трансформатора и выходом преобразователя выполнена через последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, а седьмой резистор выполнен управляемым в виде опторезисто- ра, светодиод которого через введенный девятый резистор подключен к выходу введенного узла обратной связи, входом подключенного к выходным выводам преобразователя.

ЗБ Ы