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

Изобретение относится к электронике и может быть использовано как источник вторичного электропитания.

Известны аналогичные устройства (смотри а.с.СССР N 1396219, 1988; а.с.СССР № 1365288, 1988, заявки Японии: № 59-37668, ИСМ, № 8, 1985, с.81, № 59-32992, ИСМ. № 6, 1985, с.88, № 60-31187, ИСМ, № 3, 1986, с.55), в основу которых положен принцип преобразования высокого питающего напряжения,обычно выпрямленного напряжения электрической сети 220 вольт, в одно или несколько низковольтных напряжений с помощью одно- тактного преобразователя постоянного напряжения (блокинг-генератора), Для стабилизации выходных напряжений используется принцип изменения длительности импульсов, формируемых блокинг-генератором при изменении сопротивления нагрузки.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является однотактный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, описанный в а.с.СССР № 1396219, ИСМ, № 16, 1988, с.З1.

Он содержит коммутирующий транзистор, импульсный трансформатор, резистор базового смешения, т.е. блокинг- генератор, работающий в автоколебательном режиме, выпрямитель импульсного напряжения, емкостный накопитель и элементы цепи обоатной связи для стабилизации выходного напряжения, ключевой каскад в цепи резистора запуска коммутирующего транзистора, разрывающий цепь запуска в интервалах накопления и отдачи энергии трансформатором.

Недостатком данного устройства является низкий КПД из-за увеличения частоты коммутации коммутирующего

(Л

С

VI

VI

VJ

Ю

ю

трсзнзистора с увеличением сопротивления нагрузки или в режиме холостого хода.

Цель изобретения - повышение КПД однотактного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в широком диапазоне изменения нагрузок .

Поставленная цель достигается тем, что однотактный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора, эмиттер которого подключен через датчик тока к общей шине питания, выходная обмотка трансформатора через выпрямитель соединена с накопительным конденсатором, с выводами для подключения нагрузки и с входом блока управления, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора и через первый резистор подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора, эмиттер регулирующего транзистора подключен к общей шине питания, а коллектор - к базе коммутирующего транзистора, через второй резистор и базовую обмотку трансформатора - к общей шине питания и резистор запуска с выходом ключевого каскада, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питания, ко входу ключевого каскада через дополнительные резисторы подключен двухполу- периодный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой трансформатора, в него введено устройство регулирования паузы между импульсами, уменьшающее частоту коммутации коммутирующего транзистора с увеличением сопротивления нагрузки или в режиме холостого хода, содержащее стабилитрон, катод которого соединен с дополнитель ным резистором и анодом диода двух- полупериодного выпрямителя инверсного плеча, а анод - с первой обклад кой конденсатора, вторая обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питания.

Предлагаемый однотактный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения отличается от известного тем, что в него введено устройство регулирования паузы между им0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пульсами, уменьшающее частоту коммутации коммутирующего транзистора г. увеличением сопротивления нагрузки или в режиме холостого хода, содержащее стабилитрон, катод которого соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двух- полупериодного выпрямителя, а анод - с первой обкпадкой конденсатора, вторая обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питания.

Это позволило уменьшить частоту коммутации коммутирующего транзистора с увеличением сопротивления нагрузки или в режиме холостого хода путем увеличения длительности паузы между импульсами, снизить величину среднего тока запуска коммутирующего транзистора и этим самым увеличить КПД устройства.

Указанные отличительные признаки предлагаемого устройства от прототипа и приводят к положительному эффекту.

На чертеже представлена принципиальная схема однотактного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.

Устройство содержит трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора 3, эмиттер которого подключен через датчик тока k к общей шине питания, выходная обмотка 5 трансформатора через выпрямитель 6 соединена с накопительным конденсатором 7, с выводами для подключения нагрузки 8 и с входом блока управления 9, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора 10 и через первый резистор 11 подключен к эмиттеру коммутирующего транзистора 3, эмиттер регулирующего транзистора соединен с общей шиной питания, а коллектор - с базой коммутирующего транзистора, через второй резистор 12 и базовую обмотку 13 трансформатора с общей шиной питания и резистор запуска 1 с выходом ключевого каскада 15, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питания, к входу ключевого каскада через дополнительные резисторы 16 подключен двухполу- периодный выпрямитель 17, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой 18 трансформаЬ1

тора, катод стабилитрона 19 соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двухполупери- одного выпрямителя, а анод с первой обкладкой конденсатора 2С, вторая обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питания.

Функционирование однотактного стабилизированного преобразователя постоянного напряжения.

В предлагаемом однотактном преобразователе напряжения имеет место обратное включение выпрямительного диода б, и интервалы накопления энергии в трансформаторе 1 разнесены во времени с интервалами передачи накопительной энергии в нагрузку. При подключении источника электропитания к блокинг-генератору последний начинает генерировать импульсы. Период коммутации коммутирующего транзистора 3 складывается из трех временных интервалов:

Т Ч + tn + t0;K

где tн - время накопления энергии в трансформаторе 1;

L п - время передачи энергии в нагрузку;

t-0)tc - время ожидания, когда коммутирующий транзистор 3 закрыт и вся накопленная трансформатором энергия передана в нагрузку. С началом формирования каждого импульса эмиттерный ток коммутирующег транзистора 3 создает нарастающее напряжение на датчике тока 4. При определенном напряжении на датчике тока k открывается регулирующий транзистор 10, шунтирует базовую цепь коммутирующего транзистора 3, который запирается. Начинается передача накопленной энергии из транс- Форматора 1 через обмотку 5 и выпрямитель б в накопительный конденсатор 7 и нагрузку 8. С увеличением напряжения на накопительном конденса торе 7 до номинального значения блок управления 9 воздействует на управляющий транзистор 1C и уменьшает его порог отпирания. Благодаря этому транзистор 3 отпирается на меньшее время, сокращается интервал th. С увеличением напряжения на накопительном конденсаторе 7 сокращается и время передачи анергии из трансфорПМ

матора 1 в накопительный компенсатор 7, т.е. сокращается интервал tn.

Ток через резистор 1 и ключевой каскад 15 протекает только в режиме запуска, а все остальное время, т.е.

на интервалах tK,

tn и

-ох

через

0

С

0

5

0

5

0

5

них не протекает. Отсутствие токов через резистор 1 и ключевой каскад 15 на интервалах tH, tn и t0;k обеспечивается воздействием цепей 1б, 17, 18, 19 и 20 путем открывания входного транзистора ключевого каскада 15.

На этапе t с прямого плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 отрицательное напряжение через нижние диод 17 и резистор 16 отпирает входной транзистор ключевого каскада 15. Запирается основной (выходной) транзистор ключевого каскада 15 и ток через резистор запуска не протекает.

На этапе tn отрицательное напряжение, отпирающее входной транзистор ключевого каскада 15, подается с инверсного плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 через верхние диод 17 и резистор 1б. Опять ток через основной (выходной) транзистор ключевого каскада 15 и резистор отсутствует.

На этом же этапе tn отрицательное напряжение с инверсного плеча дополнительной обмотки 18 трансформатора через верхний диод 17 прикладывается к последовательно включенным стабилитрону 19 и конденсатору 20. Стабилитрон отпирается и конденсатор 20 подзаряжается.

По окончании этапов t H и t п воздействие на ключевой каскад 15 со стороны дополнительной обмотки 18 трансформатора 1 прекращается. Однако конденсатор 20, подзаряженный на этапе tn, начинает разряжаться по цепи: верхняя обкладка конденсатора 20, переход эмиттер-база входного транзистора ключевого каскада 15 верхний резистор 16, стабилитрон 19, нижняя обкладка конденсатора 20. Так как стабилитрон 19 для тока разряде) конденсатора 20 находится в прямом (диодном) включении, то конденсатор 20 разряжается почти полностью. Разряжающийся конденсатор 20 удерживает входной транзистор ключевого каскада 15 в открытом состоянии, что обеспечивает закрытое состояние основного (выходного) транзистора клю чсвого каскада 15 и отсутствие тока через резистор запуска 14. Так формируется этап t0. На всех этапах t4, tn и для обеспечения непротекания тока через ключевой каскад 15 и резистор запуска-14 имеется воздействие на ключевой каскад 15.

С увеличением сопротивления нагруз ки 8 или же при ее полном отключении (режим холостого хода) интервалы t и и t. n существенно сокращаются и блокинг-генератор стремится работать с большей частотой, что увеличивало бы потребление энергии цепями запуска и, как следствие снижение КПД. Кроме того, с уменьшением tH и tn длительность фронтов становится соизмеримой с длительностью импульсов, что увеличивает паразитный расход энергии во всех цепях блокинг-гене- ратора.

Однако с увеличением сопротивления нагрузки 8 и увеличением, как следствие, напряжения на накопительном конденсаторе 7 увеличивается амплитуда импульсов напряжения на выходной обмотке 5,а следовательно, и на инверсной части дополнитель- ной обмотки 18 трансформатора 1 в интервале tn передачи энергии из трансформатора 1 в накопительный конденсатор 7. Дальнейшее увеличение напряжения на накопительном конденса торе 7 приводит к .увеличению напряжения на конденсаторе 20, что приводит к увеличению интервала tOJ( и в конечном итоге, к снижению частоты срабатывания блокинг-генератора. С уменьшением частоты срабатывания блокинг-генератора уменьшается паразитное потребление энергии блокинг- генератором, что увеличивает КПД устройства.

Введение в устройство стабилитрон 19 с конденсатором 20 существенно увеличивает КПД преобразователя в режимах большого сопротивления нагрузки или холостого хода. Проведен-

ные лабораторные испытания подтверждают изложенное. TO|C , потребляемый устройством в режиме холостого хода, с введением предлагаемых элементов, уменьшается на (15-25К. Формула изобретения

Однотактный стабилизированный прь образователь постоянного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого включена в коллекторную цепь коммутирующего транзистора, эмиттер которого подключен через датчик тока к общей шине питания, выходная обмотка трансформатора через выпрямитель соединена с накопительным конденсатором,с выводами для подключения нагрузки и с входом блока управления, выход которого соединен с базой регулирующего транзистора и через первый резистор подключена к эмиттеру коммутирующего транзистора, эмиттер регулирующего транзистора содинен с общей шиной питания, коллектор - с базой коммутирующего транзистора, а через второй резистор и базовую обмотку трансформатора - с общей шиной питания, и резистор запуска - с выходом ключевого каска да, включенного последовательно с резистором запуска между базой коммутирующего транзистора и положительной шиной питания, к входу ключевого каскада через дополнительные резисторы подключен двухполупериодный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме и соединенный с дополнительной обмоткой трансформатора,, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД в широком диапазоне изменение нагрузок, в него введены стабилитрон и конденсатор, причем катод стабилитрона соединен с дополнительным резистором и анодом диода инверсного плеча двухполупериодного выпрямителя, а анод - с первой обкладкой конденсатора, вторая обкладка конденсатора соединена с положительной шиной питания.

n

Использование: вторичные источники электропитания аппаратуры. Сущность изобретения: повышение КПД в широком диапазоне изменения нагрузок путем снижения потерь в цепях бло- кинг-генератора уменьшением частоты переключений коммутирующего транзистора. В преобразователе обеспечивается отключение цепи запуска коммутирующего транзистора от источника питания на время накопления и отда чи энергии в нагрузку и на интервале ожидания, увеличивающегося при увеличении сопротивления нагрузки. 1 ил.