Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания для систем автоматики и электроники, которые питаются постоянными электрически изолированными напряжениями.

- Извгестны однотактные преобразователи, содержащие силовой транзистор с силовым трансформатором и схему управления. Подобные преобразователи обладают высокой стабильностью выходного напряжения, однахо схема управления у них сложна и требует наличия трансформатора тока для переключения силового транзистора. Это препятствует микроминиатюризации источника вторичного электропитания.

Известны также однотактные преобразователи, у которых для формирования импульсов управления силовым транзистором используются логические инверторы, а для ограничения до требуемой амплитуды импульса коллекторного тока силового транзистора используется токоизмерительный резистор, включенный последовательно в силовую цепь, и соответствующий ограничивающий транзистор, базой и эмиттером подключенный параллельно этому резистору. Применение этого технического решения дает возможность улучшить характеристики преобразователя.

Недостатком известных технических решений является то, что для питания схемы управления применяется первичный источник питания или специальный маломощный преобразователь (стабилизатор). Это, с одной стороны, снижает КПД преобразователя, с другой - усложняет схему, увеличивает количество элементов и снижает надежность работы, Названные недостатки снижают функциональные возможности .известных преобразователей в современных высокоэффективных источниках вторичного электропитания.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей схемы однотакт- ного преобразователя за счет того, что питание схемы управления осуществляется от базовой обмотки силового трансформатора, напряжение на которой может быть выбрано наиболее оптимальным поуровню, упрощается схема преобразователя, уменьшается количество элементов, снижается мощность потерь и улучшаются условия для микроминиатюризации.

Указанная цель достигается соответствующим соединением управляющих транзисторов схемы управления, состоящей из включающего и выключающего транзисторов, логических инверторов и порогового

элемента, а также изменением схемы одно- вибратора, который задает рабочую частоту преобразования. Кроме того, приняты меры для повышения помехоустойчивости

преобразователя и надежности его работы, а также стабильности выходного напряжения, что реализуется введением дополнительных элементов схемы и их связями с известными.

На фиг.1-5 приведены схемы однотакт- ных преобразователей постоянного напряжения; на фиг.6 - временные диаграммы и процессы его работы.

Преобразователь на фиг.1 содержит силовой транзистор 1, коллектор которого через начало и конец первичной обмотки 2 силового трансформатора 3 подключен к положительной шине первичного Еп источника питания, а эмиттер - к его отрицательной

шине (общему полюсу). К базе транзистора 1 подключен эмиттер включающего транзистора 4, коллектором соединенного с включающей диодно-резистивной цепью, состоящей из элементов 5 и 6, другой вывод

которой подключен к началу базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Средняя точка этой обмотки соединена с эмиттером транзистора 1, а конец - с катодом выключающего диода 9, анод которого подключен к

эмиттеру выключающего транзистора 10 и через замедляющий конденсатор 11 соединен со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Коллектор транзистора 10 через выключающий резистор 12подключен к базе транзистора 1, База транзистора 10 через выключающий пороговый элемент 13 соединена с выходом выключающего логического инвертора 14, входом подключенного к выходу включающего логического инвертора 15 и через базовый резистор 16 - с базой включающего транзистора 4. Вход логического инвертора 15 подключен к точке соединения первых выводов времязадающего конденсатора 17, зарядного резистора 18 и разрядного резистора 19. Вторые выводы конденсатора 17 и резистора 19 подключены к средней точке базовой обмотки 7, 8, а второй вывод резистора 18 - к катоду зарядного диода 20, анодом

соединенного с началом базовой обмотки 7, 8. База силового транзистора 1 подключена к выходу 21 одновибратора 22, а коллектор транзистора 4 - к управляющему входу одновибратора 22. Питающий вход 24 одновибратора 22 соединен с началом первичной обмотки 2 трансформатора 3.

Одновибратор 22 на фиг.1 состоит из последовательного транзистора 25, эмиттер которого подключен к точке соединения

первых выводов балластного резистора 26 и

накапливающего конденсатора 27, второй вывод резистора 26 соединен с питающим входом 24, а второй вывод конденсатора 27 - со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3. Кроме того, эмиттер транзистора 25 через первый диод 28 подключен к управляющему входу 23 к катоду стабилитрона 2.9, анод которого подключен к управляющему входу 23 к катоду стабилитрона 29, анод которого соединен с базой переключающего транзистора 30 и первым выводом релаксационного конденсатора 31, вторым выводом соединенного с коллектором транзистора 25 и через ограничивающий резистор 32 - с выходом 21. Коллектор транзистора 30 через коллекторный резистор 33 подключен к базе транзистора 25, а эмиттер транзистора 30 соединен со средней точкой базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3.

Преобразователь на фиг.2 отличается наличием разрядного транзистора 34, эмиттер и коллектор которого соответственно подключены к первому и второму выводам разрядного резистора 19, а база через разрядную последовательную диодно-рези- стивную цепь, состоящую из элементов 35 и 36, - к концу базовой обмотки 7,8 трансформатора 3. Кроме того, между входом и выходом логического инвертора 15 включен резистор 37 обратной связи.

Преобразователь на фиг.З отличается наличием токового резистора 38 (датчика тока), включенного последовательно в эмит- терную цепь силового транзистора 40, эмиттер которого подключен к средней точке базовой обмотки 7, 8, а коллектор через дополнительный резистор 41 - базе зарядного транзистора 42, коллектор и эмиттер которого подключены соответственно к первому и второму выводам зарядного резистора 18. Параллельно базе и эмиттеру силового транзистора 1 подключены коллектор и эммитер соответственно шунтирующего транзистора 43, база которого через управляющую диодно-резистивную цепь, состоящую из элементов 44 и 45, соединена с концом базовой обмотки 7, 8 трансформатора 3.

Преобразователь на фиг.4 отличается наличием стабилизатора постоянного напряжения 46, включенного между катодом зарядного диода 20 и питающим входом логических элементов 14 и 15.

Одновибратор на фиг.5 отличается наличием дополнительного балластного резистора 47, включенного между первым выводом резистора 26 и эмиттером последовательного транзистора 25, а также последовательным соединением дополнительного стабилитрона 48 и дифференциального резистора 49, включенных между первым выводом резистора 26 и эмиттером переключающего транзистора

5 30.

На временных диаграммах фиг.6 показаны эпюры: 50 - напряжения на накапливающем конденсаторе 27 одновибратора 22; 51 - напряжение на коллекторе последо0 вательного транзистора 25 одновибратора 22; 52 - базового тока силового транзистора 1; 53 - коллекторного тока силового транзистора 1; 54 - коллекторного напряжения силового транзистора 1; 55 - напряжения на

5 базовой полуобмотке 8 силового трансформатора 3; 56 - напряжения на времязадаю- щем конденсаторе 17; 57 - выходного напряжения выключающего логического инвертора 14.

0 Однотактный преобразователь постоянного напряжения на фиг.1 работает следующим образом. Рассматриваются процессы работы в установившемся режиме.

5 В исходном состоянии при наличии первичного напряжения Еп все транзисторы заперты. С момента времени t 0 до t to происходит заряд накапливающего конденсатора 27 от источника Еп (см. эпюру 50

0 фиг.6). Напряжение питания на логические инверторы не подается.

Когда напряжение на конденсаторе 27 достигает уровня напряжения DCT стабилизации стабилитрона 29, последний включа5 ется и открывает транзистор 30. Это приводит к включению транзистора 25 и быстрому разряду конденсатора 27 на базо- эмиттерный переход силового транзистора 1 через ограничивающий резистор 32 схемы

0 одновибратора 22 (эпюры 51 фиг.6). Для того, чтобы транзисторы 30, а также 25 не запирались после снижения напряжения на конденсаторе 27 и стабилитроне 29, имеется релаксационный конденсатор 31, кото5 рый на протяжении времени наличия импульса напряжения на выходе одновибратора 22 поддерживает транзистор 30 в открытом состоянии. После разряда конденсатора 27 транзистор 30, а за ним и 25 запи0 раются.

Таким образом, в момент времени to формируется короткий импульс тока базы силового транзистора 1, открывающий его и приводящий к появлению коллекторного то5 ка (эпюры 52 и 53 фиг.6). Открывание транзистора 1 (эпюра 54) приводит к появлению на базовой обмотке 7 трансформатора 3 напряжения положительной полярности,а на базовой обмотке 8 - напряжения отрицательной полярности (эпюра 55). Полярности

напряжения на обмотках рассматриваются относительно ее средней точки. Очевидно, что эпюра напряжения на обмотке 7 обрат- на по полярности, показанной на эпюре 55. Появление положительного уровня напряжения на обмотке 7 вызывает появление питающего напряжения на логических инверторах 14 и 15 (через зарядный диод 20), начало заряда конденсатора 17 (через резистор 18 и диод 20) и на коллекторе транзистора 4 (через резистор 5 и диод 6). Пока напряжение на конденсаторе 17 мало, это равносильно нулевому уровню напряжения на входе логического инвертора 15, что приводит к единичному (высокому) уровню его выходного напряжения, от которого через резистор 16 открывается транзистор 4. Далее силовой транзистор 1 остается открытым и насыщенным оттока, создаваемого напряжением на базовой обмотке 7 трансформатора 3 (при открытом транзисторе

4).

После того как транзистор 4 открылся, необходимость в импульсе с выхода одно- вибратора 22 отпадает. Длительность импульса, требующегося от одновибратора 22, определяется суммарным временем задержки: открывания силового транзистора 1, появления положительной полярности напряжения на обмотке 7, распространения сигнала через инвертор 15 и включения транзистора 4.

После открывания транзистора 4 первый вывод конденсатора 27 схемы одновибратора 22 оказывается зашунтированным через диод 28 на общий полюс. Поэтому, пока транзистор 4 открыт, заряд конденсатора 27 осуществляться не может и он остается разряженным. Этим предотвращается появление короткого импульса открывания силового транзистора 1 на интервале его -открытого состояния и задается определенная функциональная зависимость частоты следования коротких импульсов. Последующий заряд конденсатора 27 от напряжения Еп может произойти только после запирания транзистора 4.

Далее идет этап формирования длительности импульса тока коллектора силового транзистора 1. Заряжается конденсатор 17. Когда напряжение на нем достигает примерно половины напряжения питания инвертера 15, последний переключается, и на его выходе появится нулевой (низкий)уровень напряжения. Это приводит к запиранию транзистора 4, Интервал времени наличия высокого уровня напряжения на выходе инвертора 15 обозначен на временных диаграммах фиг.6 как tBo. Нулевой уровень напряжения на выходе инвертора

15 приводит к тому, что на выходе выключающего инвертора 14 появляется высокий уровень напряжения. На предыдущем этапе работы здесь был нулевой (низкий) уровень

напряжения. Так как на обмотке 8 имеется отрицательный уровень напряжения, то высокий уровень напряжения на выходе инвертора 14 приводит к открыванию выключающего транзистора 10 (через поро0 говый элемент, в качестве которого в настоящей схеме изображен стабилитрон 13). На базу силового транзистора 1 подается отрицательная полярность напряжения, которая при помощи резистора 12 формирует отри5 цательный рассасывающий базовый4ток. Начинается процесс рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры насыщенного силового транзистора 1. На эпюре 52 фиг.6 этот интервал

0 времени обозначен как tp. По окончании рассасывания силовой транзистор 1 запирается, е; о ток коллектора (см.эпюру 53 фиг.6) спадав до нуля, а коллекторное напряжение увеличивается. В соответствии с этим

5 изменяются полярности напряжения на обмотках 7 и 8 трансформатора 3.

Далее запираются диоды 20 и 9, снимается питание с логических инверторов, прекращается заряд конденсатора 17 и с

0 выходов инверторов исчезают разрешающие сигналы. Схема приходит в исходное состояние, когда все транзисторы заперты. Так как транзистор 4 заперт, начинается заряд конденсатора 27 одновибратора 22, и

5 процессы повторяются.

Замедляющий конденсатор 11 требуется для создания задержки спада отрицательного напряжения на входе выключающего транзистора 10 после нача0 ла запирания транзистора 1, После смены полярности напряжений на базовой обмотке 7, 8 трансформатора 3 напряжение на конденсаторе 11 продолжает присутствовать, что гарантировано обеспечивает нали5 чие запирающего напряжения на базе силового транзистора 1 во время формирования спада его тока коллектора и некоторое время после него.

Однотактный преобразователь на фиг.2

0 имеет следующие отличительные черты работы.

Для сокращения времени разряда конденсатора 17 после окончания коммутационных процессов открытого состояния

5 силового транзистора 1 (время tpaap на эпюре 56 (имеется разрядный транзистор 34, который включается после смены полярности напряжения на базовой обмотке 7, 8 трансформатора 3 базовым током, протекающим через цепь из элементов 35 и 36. Этим

конденсатор 17 форсированно разряжается и ускоряется подготовка схемы к последующему очередному этапу работы.

Для исключения влияния помех, возникающих при коммутации силовых полупроводниковых приборов, логический инвертор 15 с введенным резистором 37 обратной связи приобретает свойство порогового устройства с гистерезисом. Включение его происходит при напряжении меньшем, чем выключение.

Однотактный преобразователь на фиг.З имеет следующие отличительные черты работы.

Ток коллектора силового транзистора 1, протекающий по токовому резистору 38, создает на нем определенное напряжение, превышение которого свыше заданного значения вызывает включение ограничивающего транзистора 40. Его включение обуславливает включение транзистора 42, что вызывает ускоренный заряд конденсатора 17 от напряжения обмотки 7 через диод 30. Это вызывает быстрое запирание транзистора 4 и, следовательно, аналогичное запирание транзистора 1, Этим достигается ограничение амплитуды импульса тока его коллектора. Последующее включение силового транзистора 1 происходиттолько после прихода очередного короткого импульса с одновибратора 22. Таким образом, ускоренный разряд конденсатора 17 бывает только во время превышения тока коллектора силового транзистора свыше заданной нормы. В остальные моменты времени транзисторы 40 и 42 заперты.

Для шунтирования базо-эмиттерного перехода силового транзистора 1 во время его статического запертого состояния предназначен транзистор 43, который включается во время такой полярности напряжения на обмотке 8, которая соответствует запертому состоянию транзистора 1. При этом на обмотке 8 положительное напряжение, которое и образует базовый ток транзистора 43 через резистор 44 и диод 45.

Однотактный преобразователь фиг.4 имеет следующие отличительные черты работы.

Питание логических инверторов 14 и 15 осуществляется через стабилизатор 46 постоянного напряжения, выполненный в данном случае параметрическим - на стабилитроне и резисторе. Необходимость введения этого стабилизатора обусловлена следующим.

Выходное напряжение обратноходо- вого преобразователя в режиме непрерывных токов определяется выражением W2 ti/wit2, где W2 и wi - числа витков

вторичной и первичной обмоток силового трансформатора 3; ti и 12 - длительность открытого и закрытого состояний силового транзистора 1. Для получения свойства параметрической стабилизации выходного напряжения преобразователя необходимо, чтобы при изменении первичного напряжения Еп временные параметры ц и t2 изменялись таким образом, чтобы напряжение UH

0 в приведенной формуле не изменялось.

В рассмотренных схемах преобразователей длительность импульса т.Вкл практически не изменяется при изменениях напряжения Еп. Это вызвано следующим.

5 Величина положительного напряжения на полуобмотке 7 трансформатора 3 при выбранном коэффициенте трансформации обмоток 2 и 7 однозначно определяется напряжением Еп. Увеличение напряжения

0 Еп увеличивает ток заряда конденсатора 17 и уменьшает длительность его заряда до напряжения переключения инвертора UCp (эпюра 56 фиг.6). Однако одновременно с этим увеличение напряжения на обмотке 9

5 (или, что равносильно, напряжения Еп) приводит к увеличению напряжения питания логического инвертора 15. Это вызывает увеличение напряжения переключения этого инвертора, так как оно примерно равно

0 половине его напряжения питания. Таким образом, происходит взаимокомпенсация напряжений, и длительность импульса Твкл приблизительно остается неизменной. Если напряжение питания инвертора 15 стабиль5 но, то длительность импульса tBioi обратно пропорциональна величине напряжения первичного питания Еп.

Следовательно, величина напряжения UH по приведенной формуле зависит от на0 пряжения ЕП, так как, например, при увеличении Еп длительность Твкл (примерно можно принять, что Твкл ti) уменьшается, что приводит к снижению напряжения 1)н. Разумеется, рассмотренные процессы спра5 ведливы при постоянной длительности паузы ti.

Если t2 изменяется в соответствии с изменением Еп, стабильность выходного напряжения UH недостаточна. Для получения

0 неизменности t2 предназначена схема одновибратора на фиг.5. Если напряжение, от которого заряжается конденсатор 27, стабильно (а это осуществляется стабилитроном 48), длительность заряда этого

5 конденсатора до напряжения UCT (эпюра 50) не зависит от изменения напряжения Еп. Длительность заряда конденсатора 27 примерно равна длительности запертого состояния силового транзистора 1. Таким образом, если длительность t2 постоянна,

то, как это видно из приведенной формулы, обеспечивается неизменность напряжения UH (разумеется, при рассмотренной функциональной зависимости ц).

Более высокой стабильности выходного напряжения преобразователя можно достичь введением дифференциального резистора 49, который в определенной степени снижает стабильность напряжения, от которого заряжается конденсатор 27, чтобы скомпенсировать влияние такого дестабилизирующего фактора, как время рассасы- вани-я tp.

Следовательно, схемы преобразователей дают возможность реализовать питание схемы ynpa& iei ИР от базовой обмотки силового трансформатора. Потребление тока схемой управления от первичного истоми- ка минимально, так как выходные импульсы одновгбратора достаточно короткие, и величина сопротивления резистора 25 может быть задана значительной.

Формула изобретен и я

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий конденсаторы, резисторы, одновибратор, логические инверторы,транзисторы р-п-ри п-р-п-тилов проводимости, где коллектор силового транзистора п-р-п-типа проводимости через конец и начало первичной обмотки силового трансформатора связан с положительной шиной первичного источника, вторичная обмотка силового трансформатора через выпрямитель и фильтр связана с нагрузкой, а эмиттер силового транзистора через токовый резистор соединен с отрицательной шиной первичного источника и базой ограничивающего транзистора, эмиттером подключенного к отрицательной шине первичного источника, причем начало базовой обмотки через включающую последовательную диоднорези- стивную цепь соединено с коллектором включающего транзистора п-р-п-типа проводимости, эмиттером соединенного с базой силового транзистора, а средняя точка и конец базовой обмотки подключены к отрицательной шине первичного источника и катоду выключающего диода соответственно, причем питающие входы одновибратора подключены к положительной и отрицательной шинам первичного источника, выход- к базе силового транзистора, а коллектор и эмиттер разрядного транзистора р-п-р-типа проводимости подключен параллельно вре- мязадающему конденсатору, параллельно базе и эмиттеру силового транзистора включены соответственно коллектор и эмиттер

шунтирующего транзистора п-р-п-типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей применения, база силового

транзистора через выключающий резистор соединена с эмиттером выключающего транзистора п-р-п-типа проводимости, коллектор которого подключен к аноду выключающего диода, а база через выключающий

0 пороговый элемент-к выходу выключающего логического инвертора, входом соединенного с выходом включающего логического инвертора, который через базовый резистор подключен к базе включающе5 го транзистора, причем вход включающего логического инвертора соединен с точкой соединения первых выводов аремязадаю- щего конденсатора м зарядного и разрядного резисторов, где вторые выводы

0 времязадающего конденсатора и разрядного резистора соединены со средней точкой базовой обмотки, а второй вывод зарядного резистора - с питающим входом логических инверторов и с катодом зарядного диода,

5 анод которого подключен к началу базовой обмотки, причем управляющий вход одно- вибрагора соединен с коллектором включающего транзистора.

2 Преобразователь по п.1, содержащий

0 одновибратор, в котором эмиттер последовательного транзистора р-п-р-типа прово- димос и соединен с точкой подключения катода стабилитрона, накапливающего конденсатора и балластного резистора, вторым

5 выводом подключенному к первому питающему входу одновмбратора, а анод стабилитрона соединен с базой переключающего транзистора п-р-п-типз проводимости, причем коллектор последовательного транзи0 стора через ограничивающий резистор подключен к выходу одновибратора, а второй вывод накапливающего конденсатора и эмиттер переключающего транзистора соединены с вторым питающим входом одно5 вибратора, коллектор переключающего транзистора через коллекторный резистор подключен к базе последовательного транзистора, отличающийся тем, что между коллектором последовательного и базой пе0 реключающего транзисторов включен релаксационный конденсатор, а эмиттер последовательного транзистора через первый диод соединен с управляющим входом одовибратора.

5 3. Преобразователь по пп.1 и 2, о т л и- чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей применения, база разрядного транзистора через последовательную диоднорезистивную цепь соединена с концом базовой обмотки.

4.Преобразователь по пп.1 и 3, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, между входом и выходом включающего логического инвертора включен резистор обратной связи.

5.Преобразователь по пп.1 - 4, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, коллектор ограничивающего транзистора через дополнительный резистор соединен с базой зарядного транзистора п-р-п-типа проводимости, коллектором и эмиттером подключенного к первому и второму выводам зарядного резистора соответственно.

6.Преобразователь по пп.1 - 5, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, база шунтирующего

0

транзистора через управляющую диодноре- зистивную цепь соединена с концом базовой обмотки.. „,

7. Преобразователь по пп.1 - б, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения стабильности выходного напряжения, одно- вибратор содержит дополнительный стабилитрон, анод которого соединен с вторым выводом накапливающего конденсатора, а катод через дифференциальный резистор - с точкой соединения первого вывода балластного резистора и первого вывода балластного резистора, вторым выводом подключенного к эмиттеру последовательного транзистора, катода стабилитрона и первого вывода накапливающего конденсатора.

Использование: вторичные источники электропитания. Существо изобретения: преобразователь содержит силовой транзистор 1, силовой трансформатор 3 с базовой обмоткой 7, 8. Включение транзистора 1 выполняется короткими импульсами одновиб- ратора 22, а дальнейшее насыщенное его о состояние, а также запирание осуществляются включающим 4 и выключающим 10 транзисторами соответственно. Регулирование выходного напряжения преобразователя осуществляется двумя логическими инверторами 14 и 15 и времязадающей цепью 17 - 19, Открывание включающего транзистора 4 происходит после появления положительного напряжения на полуобмотке 7, а его выключение - после заряда конденсатора 17 до порогового напряжения инвертора 15. Выключающий транзистор 10 остается включенным до окончания процессов рассасывания транзистора 1. Когда транзистор 1 запирается, полярности напряжений на полуобмотках 7 и 8 изменяются, и снимается питание с инверторов 14,15. Схема приходит в исходное состояние. Далее процессы повторяются аналогично 6 з.п.ф-лы, 6 ил. (Л С ч CN VJ ON Јь О

Фиг. 1

9+Ј

r

г

у

-Т , ,/LJ

0

0+

J

1

: fun

ъL5S

/3 42.

IrW-r0

50 51

sz