Однотактный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/325 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания.

Известен транзисторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий транзисторный ключ, многообмоточный дроссель, выпрямитель, трансформатор и узел обратной связи 1.

Это устройство имеет относительно большие пульсации выходного напряжения, обусловленные тем, что оно работает в режимах возбуждения и срыва колебаний. Кроме того, отсутствие в схеме преобразователя цепи контроля и ограничения тока, протекающего через транзисторный ключ, а также его пассивное запирание на начальной стадии процесса выключения предопределяют невысокие КПД и надежность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий N транзисторов, многообмоточный дроссель, выпрямительный диод, конденсатор, трансформатор, резистор, узел обратной связи, резистивный датчик тока, пороговый элемент и источник постоянного напряжения 2.

Основной недостаток такого преобразователя связан с высоким уровнем пульсаций выходного напряжения, так как устройство работает в режимах возбуждения и срыва колебаний. Кроме того, такой принцип работы преобразователя приводит к неравномерности нагрузки элементов, в частности транзисторов, во время его работы, Это в свою очередь является причиной снижения КПД и надежности устройства.

Цель изобретения - уменьшение пульсаций выходного напряжения, повышение КПД и надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий N транзисторов, соединенных последовательно с первичной обмоткой дросселя, подключенной через упомянутые транзисторы к входным выводам преобразователя, выпрямительный диод, через который вторичная обмотка дросселя соединена с выходными выводами преобразователя, между которыми включен конденсатор, трансформатор, имеющий первичную обмотку, которая через резистор соединена с управляющей обмоткой дросселя, N вторичных обмоток, каждая из которых подключена к входу соответствующего транзистора, и управляющую обмотку, узел обратной связи, подключенный входом к выходным выводам

преобразователя, и резистивный датчик тока, включенный последовательно в цепь первичной обмотки дросселя и первым выводом соединенный с отрицательным входным выводом, введены компаратор, дополнительный диод и резистивный делитель напряжения, крайние выводы которого подключены между отрицательным входным выводом и первым выводом питания

указанного компаратора, а средний вывод подключен к первому входному выводу компаратора, второй входной вывод которого соединен с вторым выводом упомянутого резистивного датчика тока, а выходной вывод подключен через последовательно включенные дополнительный диод и управляющую обмотку трансформатора к отрицательному входному выводу, причем упомянутый узел обратной связи выходом подключен к отрицательному входному выводу и среднему выводу указанного резистивного делителя напряжения,

В указанный однотактный преобразователь постоянного напряжения может

быть также введен дополнительный конденсатор, включенный между средним выводом указанного резистивного делителя Напряжения и отрицательным входным выводом. Далее в указанный однотактный преобразователь постоянного напряжения может быть введена дополнительная RC-цепь, включенная между вторым входным выводом и выходным выводом указанного компаратора.

Кроме того, в указанном однотактном преобразователе постоянного напряжения в качестве источника питания указанного компаратора может быть использован дополнительный выпрямитель, подключенный по входу к дополнительной обмотке дросселя.

Введение в схему преобразователя компаратора, дополнительного диода и резистивного делителя напряжения, а также

подключение узла обратной связи выходом к отрицательному входному выводу и среднему выводу резистивного делителя напряжения позволяет по сравнению с устройством-прототипом существенно уменьшить пульсации

выходного напряжения благодаря тому, что

предлагаемый преобразователь работает в автогенераторном режиме, при котором отсутствуют режимы возбуждения и срыва колебаний. В дополнение к этому принцип

работы прелагаемого устройства предопределяет относительно равномерную нагрузку элементов, в частности транзисторов, во времени, что в свою очередь обуславливает более высокие КПД и надежность устройства

Введение в схему преобразователя дополнительного конденсатора способствует еще большему уменьшению пульсаций выходного напряжения, повышению КПД и надежности за счет полного устранения релейности в работе преобразователя.

Введение в схему преобразователя последовательной RC-цепи, реализующей в указанном компараторе динамическую положительную обратную связь, позволяет уменьшить мощность, выделяющуюся в транзисторах, путем полного обеспечения их активного запирания на всех стадиях процесса выключения, что также способствует повышению КПД и надежности устройства.

Кроме того, использование в качестве источника питания указанного компаратора дополнительного выпрямителя, подключенного по входу к дополнительной обмотке дросселя, позволяет расширить возможности применения преобразователя.

Таким образом, новая совокупность элементов и связей между ними, не встречающаяся ни в одном из известных преобразователей, обуславливает новые свойства и соответствует критерию существенных отличий.

На фиг. 1 приведен вариант принципиальной электрической схемы предлагаемого однотактного преобразователя постоянного напряжения; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие принцип его работы.

Преобразователь содержит транзисторы 1 и 2, диоды 3 и 4, резистивный датчик 5 тока, многообмоточный дроссель 6, первичная обмотка 7 которого включена последовательно с транзисторами 1 и 2 и датчиком 5, первый вывод которого соединен с отрицательным входным выводом преобразователя, а также трансформатор 8, первичная обмотка 9 которого через, резистор 10 соединена с управляющей обмоткой 11 дроссе- ля 6, а вторичные обмотки 12 и 13 подключены соответственно к входам транзисторов 1 и 2. В.ыходная обмотка 14 дросселя б через выпрямитель 15 соединена с нагрузкой 16. В состав устройства также входят узел 17 обратной связи, включающий резистор 18 и подключенный входом параллельно нагрузке 16, а выходом - к отрицательному входному выводу преобразователя и среднему выводу резистивного делителя 19 напряжения, крайние выводы которого подключены между отрицательным входным выводом преобразователя и первым выводом питания компаратора 20, прямой входной вывод которого соединен с вторым выводом датчика 5, инверсный

входной вывод подключен к среднему выводу делителя 19, а выходной вывод подключен через дополнительный диод 21 и управляющую обмотку 22 трансформатора 8 к отрицательному входному выводу преобразователя. Кроме того, в устройство могут входить дополнительный конденсатор 23 и последовательная RC-цепь 24. Устройство далее содержит ието чшк.и пйтан й я 25 и 26

0 компаратора 20, причем источник питания 25 может быть реализован в виде дополнительного выпрямителя 27, входом подключенного к дополнительной обмотке 28 дросселя 6, а источник питания 26 может

5 быть соответственно реализован в виде дополнительного выпрямителя 29, входом подключенного к дополнительной обмотке 30 дросселя 6.

Преобразователь работает следующим

0 образом.

Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи, осуществляемой по цепи транзисторы 1 и 2 - обмотки 7 и 11 дросселя 6 - резистор 10 - обмотки 9, 12 и

5 13 трансформатора 8 - транзисторы 1, 2 устройство работает в режиме автогенератора.

В момент to возбуждения колебаний транзисторы 1 и 2 открываются (см.фиг.2) и

0 через обмотку 7 дросселя б и датчик 5 начинает протекать линейно нарастающий ток 1. В момент времени ti, когда ток и достигает заданной величины И, напряжение на датчике 5 (см.фиг.2 - пунктирная линия на за5 висимости U2(t), подаваемое на прямой входной вывод компаратора 20, превышает напряжение Ue , подаваемое на его инверсный входной вывод с делителя 19. В результате этого происходит срабатывание

0 компаратора 20 и напряжение Уз на его выходе изменяет полярность. Это в свою очередь приводит к тому, что открывается диод 21 и напряжение 1)4 на обмотке 22 трансформатора 8 изменяет свой знак, становясь рав5 ным по величине некоторому заданному значению LU (см.фиг.З). Аналогичным образом изменяется напряжение на обмотках 12 и 13 трансформатора 8 и на входы транзисторов 1 и 2 поступает запирающее напряжение,

0 причем активное запирание транзисторов 1 и 2 осуществляется на всех стадиях процесса их выключения. После запирания транзисторов 1 и 2, в момент ti, дроссель 6 начинает отдавать накопленную энергию в цепь

5 нагрузки 16, увеличивая напряжение U8ux.

В момент 12 дроссель 6 полностью отдает накопленную энергию в цепь нагрузки 1 б и под действием положительной обратной связи снова изменяется полярность напряжения на обмотках дросселя 6 (см,фиг.2) зависимость Ui(t) и трансформатора 8. Это приводит к открыванию транзисторов 1 и 2 и процесс повторяется.

Далее преобразователь работает аналогичным образом до момента ta, когда напряжение Увых на нагрузке 16 не достигает значения 11Вых, при котором происходит срабатывание узла 17 обратной связи, в результате чего напряжение U2, прикладываемое к инверсному входному выводу компаратора 20. уменьшается со значения U2 до значения U2. Поэтому с момента т.4, когда после очередного этапа отдачи энергии дросселем 6 в нагрузку 16 снова изменяется полярность напряжения 1Н на обмотках дросселя 6 и трансформатора 8 и открываются транзисторы 1 и 2, ток И нарастает до меньшей величины li , отвечающей такому напряжению на датчике 5 (см.фиг.2 - пунктирная линия на зависимости U2(t)). при котором в моментtsпроисходит очередное срабатывание компаратора 20. При этом транзисторы 1 и 2 снова закрываются и дроссель 6 отдает меньшую, чем ранее, величину запасенной энергии в цепь нагрузки 16. В результате этого рабочая частота преобразователя увеличивается, а напряжение 11Вых на нагрузке уменьшается.

В момент те, когда напряжение Увых становится равным ивых. происходит очередное срабатывание узла 17, в результате чего напряжение U2, прикладываемое к инверсному входному выводу компаратора 20, снова становится равным U2 . Это в свою очередь приводит к тому, что в момент t очередное срабатывание компаратора 20 снова происходит при достижении током 11 заданного значения И .

Далее преобразователь работает в автогенераторном режиме при неполной модуляции тока, осуществляя стабилизацию ивых на заданном уровне Увых. При этом отсутствуют режимы возбуждения и срыва колебаний, что приводит к уменьшению пульсаций выходного напряже-ния, повышению КПД и надежности,

Дальнейшее уменьшение пульсаций выходного напряжения, повышение КПД и надежности достигается при использовании конденсатора 23, посредством которого осуществляется сглаживание модулированного сигнала (см.фиг,2 - правая часть зависимости U2(t), начиная с момента ts).

Еще большему повышению КПД и надежности способствуеттакже использование последовательной RC-цепи 24, в результате которого уменьшается мощность, выделяющаяся в транзисторах 1 и 2, благодаря полному обеспечиванию их активного запирания на всех стадиях процесса выключения.

Рассмотрим процесс запирания транзисторов 1 и 2 более подробно. До момента ti, когда транзисторы 1 и 2 полностью закрываются, можно выделить следующие моменты, В момент ti , когда ток и достигает заданного уровня h , происходит срабатывание компаратора 20 и изменяется напряжение на обмотках трансформатора 8 (см.фиг.З - зависимости 11з(т.) и Uj,(t)). В мо0 мент ti транзисторы 1 и 2 Начинают закрываться, что вызывает рост напряжения Us на выходе каждого из них и уменьшение тока 11. При этом появляется ток 12 в обмотке 14 дросселя 6 и последний начинает отдавать

5 накопленную энергию через выпрямитель 15 в цепь нагрузки 16. В момент ti может произойти очередное срабатывание компа- ратора О, в результате чего напряжение начнет изменять свою полярность, что в

0 свою очередь вызовет соответствующий провал в напряжении LM, которое прикладывается к обмотке 22 трансформатора 8 (см.кривые фиг.З, выполненные пунктирной линией на соответствующих диаграммах).

5 Уменьшение напряжения на обмотках трансформатора 8, прикладываемого к входным цепям транзисторов 1 и 2, в этом случае может привести к затягиванию процесса их выключения (увеличению проме0 жутка ti - ti). Однако этого можно избежать благодаря использованию RC-цепи 24, реализующей в компараторе 20 динамическую положительную обратную связь. Постоянная времени RC-цепи 24 выбира5 ется таким образом, чтобы на промежутке ti не происходило срабатывание компаратора 20,/

Начиная с момента t2, когда происходит очередное срабатывание компаратора 20,

0 до момента t2 на обмотке 9 трансформатора 8 поддерживается напряжение, величина которого задается напряжением на обмотке., 11 дросселя 6. При этом напряжения на обмотках 12 и 13 трансформатора 8 поддержи5 вают транзисторы 1 и 2 в закрытом состоянии,

В случае, когда источники 25 и 26 реализованы посредством введения обмоток 28 и 30 дросселя 6 и выпрямителей 27 и 29, до ч

0 момента, когда напряжения на выходах источников 25 и 26 не станут достаточными для нормального функционирования компаратора 20, преобразователь также работает в автогенераторном режиме, но запирание

5 транзисторов 1 и 2 происходит при достижении током ti максимального значения, определяемого током в цепи положительной обратной связи. Этот ток задается резистором 10. Далее преобразователь работает аналогично тому, как это показано выше,

однако за счет исключения необходимости использования внешних источников питания компаратора расширяются возможности его применения.

Необходимо отметить, что узел 17 может иметь в своем составе оптрон (на фиг.1 не показан), посредством которого возможно осуществление гальванической развязки между входом и выходом устройства. Срабатывание узла 17 в этом случае приводит к тому, что в выходной цепи оптрона начинает протекать ток, в результате чего происходит уменьшение напряжения U2, прикладываемого к инверсному входному выводу компаратора 20. Величина тока, протекающего в выходной цепи оптрона, задается резистором 18. Наличие в схеме преобразователя оптрона принципиально не изменяет основные процессы его работы.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с устройством-прототипом, отсутствуют режимы возбуждения и срыва колебаний. Предлагаемое устройство работает только в автогенераторном режиме, повышая частоту преобразования при стабилизации выходного напряжения на заданном уровне. При этом устройство имеет меньшие пульсации выходного напряжения по сравнению с пульсациями, характерными для режимов срыва и возбуждения колебаний. Кроме того, устранение режимов возбуждения и срыва колебаний способствует повышению равномерности нагрузки элементов схемы устройства во время его работы, что в свою очередь приводит к повышению КПД и надежности преобразователя. Наконец, использование в качестве источника питания компаратора дополнительного выпрямителя, подключенного входом к дополнительной обмотке дросселя, позволяет расширить возможности применения предлагаемого устройства.

Формула и зоб р.е тения

1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий N транзисторов, соединенных последовательно с первичной обмоткой дросселя, подключенной через упомянутые транзисторы к входным выводам преобразователя, выпрямительный диод, через который вторичная обмотка дросселя соединена с выходными

выводами преобразователя, между которыми включен конденсатор, трансформатор, имеющий первичную обмотку, которая через резистор соединена с управляющей об- моткой дросселя, N вторичных обмоток, каждая из которых подключена к входу соответствующего транзистора, и управляющую обмотку, узел обратной связи, подключенный входом к выходным выводам

преобразователя, и резистивный датчик то- ка, включенный последовательно в цепь первичной обмотки дросселя и первым выводом соединенный с отрицательным входным выводом, отличающийся тем, что,

с целью уменьшения пульсации выходного напряжения, повышения КПД и надежности, в него введены компаратор, дополнительный диод и резистивный делитель напряжения, крайние выводы которого подключены между отрицательным входным выводом, и первым выводом питания указанного компаратора, а средний вывод под- ключен к первому входному выводу компаратора, второй входной вывод которого соединен с вторым выводом упомянутого резистивного датчика тока, а выходной вывод подключен через последовательно включенные дополнительный диод и управляющую обмотку трансформатора к отрицательному входному выводу, причем упомянутый узел обратной связи выходом подключен к отрицательному входному выводу и среднему выводу указанного резистивного делителя напряжения.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в него введен дополнительный конденсатор, включенный между средним выводом указанного резистивного делителя напряжения и отрицательным

входным выводом.

3.Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л и- чающийся тем, что в него введена последовательная RC-цепь, включенная между вторым входным выводом и выходным выводом указанного компаратора.

4.Преобразователь по пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве источника питания указанного компаратора использован дополнительный выпрямитель, подключенный по входу к дополнительной обмотке дросселя.

& ts t, t

Использование: в системах вторичного электропитания. Сущность изобретения: устр-во содержит транзисторы 1 и 2, диоды 3 и 4, резистивный датчик 5 тока, многообмоточный дроссель 6, первичная обмотка 7 которого включена последовательно с транзисторами 1 и 2 и датчиком 5, первый вывод которого соединен с общей клеммой преобразователя. Первичная обмотка 9 трансформатора 8 через резистор 10 сообщена с управляющей обмоткой 11 дросселя 6; а вторичные обмотки 12 и 13 подключены соответственно к входам транзисторов 1 и 2. Выходная обмотка 14 дросселя 6 через выпрямитель 15 соединена с нагрузкой 16. В состав устройства также входят узел 17 обратной связи, включающий резистор 18 и подключенный входом параллельно нагрузке 16, а выходом - между общей клеммой преобразователя и средней точкой рези- стивного делителя 19 напряжения, крайние точки которого подключены между общей точкой преобразователя и первым выводом питания компаратора 20. 3 ил. у fe XI 00 со о о ю Фиг.1

фог.г

ц