Преобразователь напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

г-л шика 1-я шина

литания питания

/7 16

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках питания различного назначения,

Известны преобразователи напряже- ния, содержащие последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор (ШИМ), предварительный усилитель, двухтактный выходной каскад, трансформатор, выпрямитель, фильтр нижних частот (ФНЧ) и датчик тока, включенный во входной цепи трансформатора, выход которого через пороговый усилитель соединен с входом управления ШИМ.

Для питания ШИМ и предварительных усилителей в таких устройствах используется вспомогательный источник питания, содержащий сетевой трансформатор и выпрямитель-. Мощность такого источника питания в основном определяется потреб- лением предварительных усилителей и обычно составляет около 5 - 8% выходной мощности преобразователя напряжения. Применение вспомогательных источников питания от первичной сети существенно ухудшает массогабаритные показатели и снижает КПД устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь напряжения, содержащий ШИМ, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов и входом счетного триггера, а выход - с первыми входами первой и второй схем И, вторые входы которых соединены с прямым и инверсным выходами счетного триггера. Выходы первой и второй схем И через первый и второй предварительные усилители соединены с первым и вторым входами двухтактного ключевого каскада соответственно, выходы которого со- единены с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через выпрямитель к входу ФНЧ. Выход ФНЧ является выходом преобразователя и подключен к входу слу- жебного преобразователя, выход которого соединен с выходом вспомогательного источника питания и шинами питания предварительных усилителей. Причем первый вывод питания двухтактного ключевого кас- када соединен с первой шиной питания, а второй вывод питания через датчик тока - с входом формирователя, выход которого соединен с дополнительным входом управления ШИМ, вход управления которого соединен с шиной управления.

Однако известный преобразователь имеет следующие недостатки. При снижении выходного напряжения в случае ограни- чения величины выходного тока

(уменьшения сопротивления нагрузки, короткого замыкания, заряда емкостной нагрузки и т.п.) происходит снижение напряжения на выходе служебного преобразователя, в результате чего уменьшается уровень сигнала на входах двухтактного ключевого каскада. Причем напряжение на выходе служебного преобразователя, в режиме стабилизации выходного тока практически пропорционально сопротивлению нагрузки и при коротком замыкании или работе на емкостной накопитель может снижаться практически до- нуля. В таком режиме питание предварительных усилителей осуществляется от вспомогательного источника питания, имеющего обычно напряжение, в несколько раз меньшее, чем служебный преобразователь в номинальном режиме. Таким образом, в режиме перегрузки (стабилизации тока) снижается уровень сигнала на входах двухтактного ключевого каскада, что приводит к ухудшению отпирания его транзисторов, Причем в этом режиме выходной ток двухтактного ключевого каскада максимален. Поэтому при снижении напряжения на его входах не может быть обеспечентребуемый режим работы транзисторов каскада (их надежное отпирание), что с неизбежностью приводит к выходу двухтактного ключевого каскада из строя.

Повышение мощности вспомогательного источника питания до уровня мощности служебного преобразователя нецелесообразно, так как это приводит к значительному ухудшению массогабаритных и энергетических показателей. Аналогичное явление происходит и при уменьшении выходного напряжения регулировкой по шине управления.

Таким образом, при перегрузке известного преобразователя по выходу (в том числе работе на емкостной накопитель) или при уменьшении выходного напряжения ниже некоторого уровня его надежность резко падает.

Цель изобретения - повышение надежности при расширении диапазона регулирования выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь,содержащий модулятор, вход синхронизации которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а вход управления- с шиной управления, первый двухтактный ключевой каскад, входы которого подключены к выходам первого и второго предварительных усилителей соответственно, а выход - к первому выводу первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель подключена к входу ФНЧ, выход которого является выходом преобразователя, вспомогательный источник питания, выход которого соединен с выводами питания первого и второго предварительных усилителей, а также первую и вторую шины питания, причем первая шина питания соединена с выводом питания первого двухтактного ключевого каскада, введены первый и второй инверторы, емкостной делитель, второй двухтактный ключевой каскад, третий и четвертый предварительные усилители, а также дополнительные трансформатор и ФНЧ.

Выходы третьего и четвертого предварительных усилителей соединены соответственно с вторым и первым входами второго двухтактного ключевого каскада. Первый вывод первичной обмотки дополнительного трансформатора соединен с вторым выводом первичной обмотки трансформатора и выходом второго двухтактного ключевого каскада, а ее второй вывод - с выходом емкостного делителя. Причем первый и второй входы последнего соединены соответственно с первым и вторым выводами питания первого и второго двухтактного ключевых каскадов, а также с первой и второй шинами питания. Входы дополнительного выпрямителя подключены к выходной обмотке дополнительного трансформатора, а его выход через дополнительный ФНЧ соединен с выводами питания предварительных усилителей. Входы первого предварительного усилителя и первого инвертора соединены с первым выходом модулятора, вход третьего предварительного усилителя соединен с выходом первого инвертора, а вход четвертого - с выходом второго инвертора, причем модулятор выполнен фазоим- пульсным.

Благодаря такому построению преобразователя напряжения обеспечивается необходимая величина напряжения питания предварительных усилителей независимо от скважности импульсного напряжения, формируемого фазоимпульсным преобразователем, в основном тракте преобразования (т.е. на входе выходного трансформатора), изменяющейся как при изменении выходного напряжения, так и ограничении выходного тока. Это, в свою очередь, обеспечивает необходимый режим работы предварительных усилителей и, соответственно, двухтактных ключевых каскадов при любых выходных напряжениях и нагрузках, что повышает надежность работы предлагаемого преобразователя.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого преобразователя.

Преобразователь напряжения содержит генератор 1 тактовых импульсов, фазо- импульсный модулятор 2, первый 3 и второй 4 инверторы, первый 5, второй 6, третий 7 и 5 четвертый 8 предварительные усилители, первый 9 и второй 10 ключевые каскады, трансформатор 11, вторичная обмотка которого через выпрямитель 12 соединена с входом ФНЧ 13, выход 14, емкостной делитель

0 15, подключенный между первой 16 и второй 17 шинами питания, вспомогательный источник 18 питания, дополнительный трансформатор 19, вторичная обмотка которого через дополнительный выпрямитель 20

5 соединена с входом дополнительного ФНЧ 21, выход которого соединен с выходом вспомогательного источника 18 питания и выводами питания первого 5, второго 6. третьего 7 и четвертого 8 предварительных

0 усилителей, а также шину 22 управления, подключенную к входу управления модулятора 2 (не изображена).

Преобразователь работает следующим образом.

5 При включении преобразователя вспомогательный источник 18 питания обеспечивает запитку всех блоков формирования импульсных сигналов номинальным напряжением и предварительных усилителей 5 0 8 пониженным напряжением. Независимо от разности фаз сигналов на выходах модулятора 2 на входы каскада 9 и 10 поступают сигналы типа меандр, в результате чего на выходах каскадов 9 и 10 формируются сиг5 налы типа меандр на большом уровне мощности. Такой сигнал с выхода двухтактного каскада 10 прикладывается к первичной обмотке дополнительного трансформатора 19, благодаря чему на выходе допол0 нительного ФНЧ 21 формируется постоянное напряжение требуемой величины (определяемой коэффициентом трансформации трансформатора 19) и независящее от модуляции импульсных сигналов фазоим5 пульсным модулятором 2. Так как это напряжение превосходит напряжение вспомогательного источника 18 питания, поступающее на предварительные усилители 5-8, вспомогательный источник 18 питания за0 пирается выходным напряжением, и питание усилителей 5-8 осуществляется от высокоэффективного источника, включающего в себя ключевой каскад 1, дополнительный трансформатор 19 выпрямитель 20

5 и ФНЧ 21.

Принципиально важно, что напряжение питания предварительных усилителей 5-8 в предлагаемом преобразователе не зависит от глубины фазоимпульс.ной модуляции.

Глубина фазоимпульсной модуляции модулятора 2 определяется напряжением на его входе управления, т.е. на шине 22 управления, которое определяет выходное напряжение устройства. Так, при синфазной работе ключевых каскадов 9 и 10 (глубина фазоимпульсной модуляции на выходах модулятора 2 равна нулю) к выводам первичной обмотки трансформатора приложены одинаковые сигналы и напряжение на ней отсутствует, т.е. отсутствует напряжение и на выходе преобразователя, При увеличении фазового сдвига сигналов на выходах модулятора 2 относительно друг друга возрастает и длительность импульсов, приложенных к первичной обмотке трансформатора 11, а следовательно, возрастает напряжение на выходе 14 преобразователя.

Максимальное выходное напряжение соответствует случаю противофазности сигналов на выходах модулятора 2 (максимальной глубине фазоимпульсной модуляции), когда к первичной обмотке трансформатора 11 прикладывается напряжение типа меандр. Стабилизация выходного напряжения может быть осуществлена при необходимости известным приемом - введением обратной связи.

При изменении напряжения на входе управления фазоимпульсного модулятора 2 изменяется напряжение на выходе преоб- рэзователя в широких пределах. При этом напряжение питания предварительных усилителей 5-8 остается неизменным, что обеспечивает оптимальный режим работы двухтактных ключевых каскадов 9 и 10 и высокую надежность преобразователя.

Формула изобретения Преобразователь напряжения, содержащий модулятор, вход синхронизации ко- rtfporo соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а вход управления - с шиной управления, первый двухтактный ключевой каскад, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго предварительных усилителей соответственно, а выход - к первому выводу первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель подключена к входу фильтра нижних

частот, выход которого является выходом устройства, вспомогательный источник питания, выход которого соединен с выводами питания первого и второго предварительных усилителей, а также первую и вторую

шины питания, причем первая шина питания соединена с выводом питания первого двухтактного ключевого каскада, отличающийся тем, что. с целью повышения надежности при расширении диапазона регулирования выходного напряжения, в него введены первый и второй инверторы, емкостной делитель, второй двухтактный ключевой каскад, третий и четвертый предварительные усилители, выход каждого

из которых соединен Соответственно с вторым и первым входами второго двухтактного ключевого каскада, дополнительный трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с вторым выводом первичной обмотки трансформатора и , выходом второго двухтактного ключевого каскада, а ее второй вывод - с выходом емкостного делителя, первый и второй входы которого соединены соответственно с

первым и вторым выводами питания первого и второго двухтактных ключевых каскадов, а также с первой и второй шинами питания, дополнительный выпрямитель, входы которого подключены к выходной обмотке дополнительного трансформатора, а его выход через дополнительный фильтр нижних частот соединен с выводами питания первого, второго, третьего и четвертого предварительных усилителей, при этом входы первого предварительного усилителя и первого инвертора соединены с первым выходом модулятора, вход третьего предварительного усилителя соединен с выходом первого инвертора, а вход четвертого предварительного усилителя - с выходом второго инвертора, причем модулятор выполнен фазоимпульсным.

Использование: вторичные источники электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит ключевые каскады 9 и 10, трансформатор 12, генератор 1 импульсов, фазоимпульсный модулятор 2, емкостный делитель 16, дополнительный трансформатор 20. При превышении выходным током устройства заданной величины фазоимпульсный модулятор 2 уменьшает глубину модуляции, стабилизируя ток, тем самым повышая надежность устройства при расширении диапазона нагрузок и регулировании выходного напряжения. 1 ил.