Преобразователь напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 H02M3/335 

ной связи 11 соединена с базой ключа 1 через резистор 13 и диод 14, Компаратор напряжения 19, являющийся одновременно коммутирующим ключом, через резистор 20 базой подключен к датчику тока 2 и эмиттеру ключа 1. Имеется цепь отрицательной обратной связи 21 в виде четырехполюсника. Выпрямители 23, 24 подключены входами к обмотке положительной обратной связи 11,

а выходами - к емкостным накопителям 25, 26 и входам 28, 29 резисторного сумматора 27. Выход сумматора 27 через элемент временной задержки 32 соединен со входом компаратора напряжения 33. Вход параметрического стабилизатора напряжения 34 соединен с источником постоянного тока 5, а его выход - с компаратором напряжения 33. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: во вторичных источниках электропитания. Сущность изобретения: преобразователь содержит силовой транзисторный ключ 1, эмиттер которого через датчик тока 2 соединен с общей шиной. Накопительный трансформатор 3 выполнен на магнитопроводе с немагнитным зазором. Его первичная обмотка 4 включена между источником постоянного тока 5 и коллектором ключа 1. Вторичная обмотка 6 соединена с нагрузкой 7 через выпрямитель 8, емкостный накопитель 9 и сглаживающий фильтр 10. Обмотка положительной обрат

Изобретение относится к электротехнике, и может быть использовано во вторичных источниках электропитания.

Известен преобразователь напряжения, содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор, у которого первичная обмотка включена между коллектором силового трансформаторного ключа и потенциальным выводом выпрямителя сетевого напряжения. Обмотка положительной обратной связи соединена первым выводом через дроссель с базой силового транзисторнбго ключа, а вторым выводом - через последовательно соединенные резистор и конденсатор, причем последний зашунтирован двумя диодами, - с эмиттером силового транзисторного ключа. Вторичная обмотка накопительного трансформатора через выпрямитель, емкостный накопитель и сглаживающий фильтр соединена с нагрузкой. Имеются так же узел запуска, датчик тока и тиристор, являющийся одновременно компаратором напряжения и элементом принудительного запирания силового транзисторного ключа, совместно с накопительным конденсатором.

Недостатками этого преобразователя напряжения являются изменение порога срабатывания компаратора напряжения на тиристоре при изменении условий окружа- щей среды; ограниченность частотного диапазона преобразователя из-за применения тиристора, значительное увеличение выходного напряжения при скачкообразном уменьшении тока нагрузки (холостой ход), незащищенность силового транзисторного ключа при длительном коротком замыкании на выходе, например, при срабатывании защиты от перенапряжения или коротком замыкании в нагрузке.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является преобразователь напряжения, содержащий силовой транзисторный ключ, накопительный трансформатор с немагнитным зазором в магнитопроводе. Вторичная обмотка этого трансформатора соединена с нагрузкой через выпрямитель, емкостный накопитель и сглаживающий фильтр. Имеется обмотка положительной обратной связи, транзисторный компаратор, являющийся

одновременно транзисторным коммутирующим ключем. Цепь отрицательной обратной связи в виде четырехполюсника.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности путем принудительного закрывания и последующего поддержания в этом состоянии силового транзисторного ключа при возникновении режимов перегрузки по току или холостого хода.

Это достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий силовой транзисторный ключ, эмиттер которого через датчик тока, соединен с общей шиной, накопительный трансформатор, выполненный с немагнитным зазором в магнитопроводе, у которого первичная обмотка одним выводом подключена к источнику постоянного тока, а другим - к коллектору силового транзисторного ключа, вторичная обмотка образует выходных выводы через выпрямитель, основной емкостной накопитель и сглаживающий фильтр, один вывод обмотки положительный обратной связи соединен одновременно с базой силового транзисторнбго ключа через цепь, состоящую из

последовательно соединенных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, и вспомогательным источником постоянного тока, образованным выпрямителем и сглаживающим фильтром, транзисторный компаратор напряжения, база которого чераз резистор подключена к точке соединения датчика тока и эмиттера силового транзисторного ключа, эмиттер подключен к общей шине, а коллектор - к базе силового

транзисторного ключа, цепь отрицательной обратной связи в виде четырехполюсника, два входных вывода которого подключены к выходным выводам преобразователя, а два выходных вывода, гальванически развязанных от входных, включены между вспомогательным источником и базой транзисторного компаратора напряжения, резистор смещения, подключенный одним выводом к источнику постоянного тока, а другим - к точке соединения указанных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, дополнительно введены два выпрямителя, пер- вый и второй емкостные накопители, резисторный сумматор с двумя входами, выполненный на двух резисторах, причем один из резисторов выполнен регулируемым, элемент временной задержки, компаратор на- пряжения, выполненный совмещенным с триггером, и параметрический стабилизатор напряжения, соединенный входом с указанным источником постоянного тока, при этом входы первого и второго введенных выпрями- телей подключены к одному выводу обмотки положительной обратной связи накопительного трансформатора, выход первого выпрямителя подключен к первому емкостному накопителю и первому входу резисторного сумматора, выход второго выпрямителя подключен ко второму емкостному накопителю и второму входу резисторного сумматора, выход которого через элемент временной задержки соединен со входом введенного компаратора напряжения, соединенного входом питания с выходом параметрического стабилизатора напряжения, а по выходу-со входом компаратора, свободные выводы первого и второго емкостного накопителя и другой вывод обмотки положительной обратной связи соединены с общей шиной:

Кроме того, с целью обеспечения автоматического перезапуска через заданный интервал времени, дополнительно введены импульсный генератор и транзисторный ключ, при этом импульсный генератор входом подключен к выходу компаратора напряжения, выполненного совмещенным с триггером, выходом - к базе введенно- го транзисторного ключа, переход эмиттер-коллектор которого подключен параллельно выходу параметрического стабилизатора напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональ- ная схема преобразователя напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3 и фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя напряжения при уменьшения и увели- чении сопротивления нагрузки.

Преобразователь напряжения содержит силовой транзисторный ключ 1, эмиттер которого, через датчик тока 2, соединен с общей шиной, накопительный трансформа- тор 3, выполненный на магнитопроводе с немагнитным зазором, у которого первичная обмотка 4 включена между источником постоянного тока 5 и коллектором силового транзисторного ключа 1. Вторичная обмотка 6 соединена с нагрузкой 7 через выпрямитель 8, емкостной накопитель 9 и сглаживающий фильтр 10. Обмотка положительной обратной связи 11 трансформатора 3 соединена с базой силового транзисторного ключа 1 через цепь 12, состоящую из последовательно соединенных резисторов 13 и диода 14, зашунтированного конденсатором 15, и со вспомогательным источником 16, образованным выпрямителем 17 и сглаживающим фильтром 18. Компаратор напряжения 19, являющийся одновременно транзисторным коммутирующим ключом через резистор 20 базой подсоединенной к точке соединения датчика тока 2 и эмиттера силового транзисторного ключа 1, эмиттером - к общей шине, а коллектором - к базе силового транзисторного ключа 1. Цепь отрицательной обратной связи 21 представляет собой четырехполюсник, два входных вывода которого подключены параллельно нагрузке 7, а два выходных вывода, гальванически развязанных от входных. - включены между вспомогательными источником 16 и базой транзисторного компаратора напряжения 19. Резистор смещения 22 подключен одним выводом к источнику постоянного тока 5. а другим выводом - к точке соединения резистора 13 и диода 14 цепи 12. Первый и второй дополнительные выпрямители 23, 24. входами подключены к обмотке положительной обратной связи 11 накопительного трансформатора 3. Выходы первого и второго выпрямителей 23. 24 подключены к первому и второму емкостным накопителям 25, 26 и входам резисторного сумматора 27. При этом выпрямитель 23 и накопитель 25 подключены к первому входу 28, а выпрямитель 24 и накопитель 26 - ко второму входу 29. Сумматор 27 образован регулируемым резистором 30 по первому входу 28 и постоянным резистором 31 - по второму входу. Выход сумматора 27. через элемент временной задержки 32. соединен со входом дополнительного компаратора напряжения 33, выполненного совмещенным с триггером, соединенного по питанию с выходом параметрического стабилизатора напряжения 34. подключенного входом к источнику постоянного тока 5. а по выходу - к компаратору напряжения 33.

Для пояснения работы преобразователя напряжения целесообразно выделить четыре возможных режима его работы.

Первый режим -- режим пуска преобразователя, второй - режим установившейся работы на нагрузку, находящуюся в пределах номинальной, третий и четвертый - режимы короткого зямыкания и холостогс

хода на выходе преобразователя соответственно.

Рассмотрим режим пуска преобразователя.

В момент включения источника посто- янного тока 5 (to на фиг. 2а) напряжение Un подается на силовой транзисторный ключ 1 через первичную обмотку 4 накопительного трансформатора 3, на параметрический стабилизатор 34, на резистор смещения 22, а через него и резистор 13 цепи 12 - на базу силового транзисторного ключа 1. Сигнал Ui на входе транзисторного компаратора напряжения 19 в этот момент равен нулю, так как силовой транзисторный ключ 1 за- крыт и падение напряжения на датчике тока 2 равно нулю, цепь отрицательный обратной связи 21 имеет большое сопротивление, поскольку напряжение на нагрузке 7 равно нулю, и напряжение на выходе сглаживаю- щего фильтра 18 дополнительного источника 16 также равно нулю. Вследствие этого транзисторный компаратор напряжения 19, являющийся одновременно коммутирующим ключом, закрыт и не препятствует про- теканию базового тока силового транзисторного ключа 1 по цепи: плюс источника постоянного тока 5, резистор смещения 22, резистор 13 цепи 12, переход база-эмиттер силового транзисторного клю- ча 1 датчик тока 2, общая шина, минус источника постоянного тока 5. Этот ток определяет возникновение линейно возрастающего коллекторного тока и силового транзисторного ключа 1 по цепи: плюс ис- точника постоянного тока 5, первичная обмотка 4 накопительного трансформатора 3, переход коллектор-эмиттер силового транзисторного ключа 1. датчик тока 2, общая шина, минус источника постоянного тока 5, вызывающий падение напряжения на датчи- ке.тока 2. Ток базы силового транзисторного ключа 1, задаваемый резистором смещения 22 и резистором 13 цепи 12 только приоткрывает силовой транзисторный ключ 1, дальней- шее его открывание обеспечивается за счет напряжения на обмотке положительной обратной связи 11 накопительного трансформатора 3, благодаря которой по цепи: плюсовой конец обмотки положительной обратной свя- зи 11, диод 14, резистор 13, переход база- эмиттер силового транзисторного ключа 1, датчик тока 2, общая шина, минусовой конец обмотки положительной обратной связи 11, протекает ток. Указанный базовый ток увели- чивается, еще более приоткрывая силовой транзисторный ключ 1.

Развивается лавинообразный процесс, в результате которого силовой транзисторный ключ 1 входит в насыщение (момент to

на фиг, 26), а на обмотке положительной обратной связи 11 устанавливается ЭДС Un, пропорциональная Un (фиг. 2в). Одновременно от этой обмотки через выпрямители 17 и 23 заряжаются конденсаторы сглаживающего фильтра 18 вспомогательного источника 16 и емкостного накопителя 25 (фиг. 2г), соответственно Uie и U25. В момент времени ti (фиг. 2д) сигнал и достигает величины Unop срабатывания транзисторного компаратора напряжения 19, который закорачивает базу силового транзисторного ключа 1 с общей шиной, что приводит к его призакрыванию. Развивается обратный лавинообразный процесс, который способствует быстрому запиранию силового транзисторного ключа 1 (фиг. 26 - момент времени ti), что обеспечивается обмоткой положительной обратной связи 11 и конденсатором 15 цепи 12. В момент времени ti закрывания силового транзисторного ключа 1 в первичной обмотке 4 накопительного трансформатора 3 возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая, во-первых, протекание тока по цепи: вторичная обмотка 6 накопительного трансформатора 3. выпрямитель 8, емкостной накопитель 9, вторичная обмотка б - который заряжает емкостной накопитель 9 и питает нагрузку 7, последнее осуществляется через сглаживающий фильтр 10 (фиг. 2е). во-вторых, изменение полярности напряжения на выводах обмотки положительной обратной связи 11 на противоположное (фиг. 2в - момент ti). Поскольку конденсатор емкостного накопителя 9 не заряжен в момент включения преобразователя, то он представляет собой короткозамыкающую цепь по вторичной обмотке 6, что приводит к увеличению времени размагничивания магнитопровода накопительного трансформатора 3 и. соответственно, к увеличению времени приложения отрицательного напряжения в базе силового транзисторного ключа 1 во время размагничивания. В момент времени t2 это напряжение становится положительным (фиг. 2в) в вышеописанные процессы открывания (аналогично моменту to) и закрывания (аналогично моменту ti) силового транзисторного ключа 1 повторяются. По мере заряда конденсатора емкостного накопителя 9 время приложения отрицательного напряжения к базе силового транзисторного ключа 1 между импульсами уменьшается (интервалы времени (ti - ta) (t3 - t-i) (ts - te) и т.д. и при достижении напряжения на нагрузке величины номинального значения оно устанавливается приблизительно постоянным при неизменной нагрузке.

В основу работы предлагаемой схемы защиты от перегрузки по току и перенапряжения по выходу при холостом ходе положен принцип анализа и сравнения положительной (фиг. 2г - U25) и отрицательной (фиг. 2ж) частей импульсного напряжения на выводах обмотки положительной обратной связи 11 накопительного трансформатора 3, и при выявлении превышения доли положительной части над отрицательной - включение схемы принудительного запирания силового транзисторного ключа 1. Очевидно, что напряжение на емкостном накопителе 25 (U25) нарастает быстрее, чем напряжение на емкостном накопителе 26 (Uae), так как за- ряд первого осуществляется на прямом ходе. Поэтому, если не принять меры, то положительное напряжение на входе компаратора 33, выполненного совмещенным с триггером, превысит отрицательное и им бу- дет сформирован сигнал на принудительное запирание силового транзисторного ключа 1 и преобразователь напряжения не удается включить. Для устранения этого между сумматором 27 и входом компаратора напряже- ния 33 включен элемент временной задержки 32, позволяющий (фиг. 2з) замедлить нарастание напряжения на входе компаратора напряжения 33 и, тем самым уравнять скорости нарастания указанных напряжений и обеспечить включение преобразователя напряжения, так как положительное напряжение на входе компаратора 33 UK.H. не достигнет порогового напряжения срабатывания Unop.K. этого компаратора.

Рассмотрим режим перегрузки на току (фиг. 3). Путь в момент времени ts величина сопротивления нагрузки 7 уменьшилась (фиг. За) настолько, что ток нагрузки превысил максимально допустимое значение. В первом такте после изменения нагрузки это приводит к увеличению времени размагничивания магнитопровода накопительного трансформатора 3 (фиг. 36 и Зв - интервал времени ts - те). Напряжение Uas и U26 суще- ственно не изменяется. Однако в следующий такт работы преобразователя (te - ts) время открытого состояния силового транзисторного ключа 1 несколько увеличится за счет отрицательной обратной связи, а затем останется постоянным, т.е. напряжение U25 останется практически на прежнем уровне, а величина напряжения U26 начнет уменьшатся и соответственно повышается напряжения на входе компаратора напряжения 33 UK.H. (фиг. Зг и Зд). Через несколько тактов оно увеличится настолько, что достигнет уровня срабатывания компаратора напряжения 33 Unop.K. (фиг. Зд - момент времени tn). Это приводит к появлению высокого потенциала на его выходе UBK (фиг. Зе), который принудительно закрывает силовой транзисторный ключ 1 с помощью компаратора напряжения 19, являющегося одновременно транзисторным коммутирующим ключом.

Очевидно, что от соотношения резисторов 30 и 31 резисторного сумматора 27 и значения выходного сопротивления компаратора напряжения 33 зависит, при каком токе нагрузки срабатывает защита, поэтому с помощью подстройки одного из них, например, резистора 30, можно осуществлять эту регулировку.

Рассмотрим режим холостого хода (фиг. 4), Пусть в моменты времени ti - Т4 преобразователь работает в номинальном режиме при номинальной нагрузке, а в момент времени ts величина сопротивления нагрузки 7 резко увеличилась (фиг, 4а) настолько, что емкостной накопитель 9 можно считать ненагруженным. В первом такте после изменения нагрузки 7 это приводит к незначительному уменьшению времени размагничивания магнитопровода накопительного трансформатора 3 - (фиг. 4б-4в - интервал времени te - ts) Напряжение U25, U26 и UH существенно в этом такте не изменяется (фиг. 4г и 4д). Однако в последующие такты работы напряжения на нагрузке 7 UH увеличивается (фиг. 4е) и превысит номинальное значение UHH. что приводит к уменьшению длительности открытого состояния силового транзисторного ключа 1 из-за действия цепи отрицательной обратной связи 21, а :акже уменьшению паузы между импульсами, Последняя уменьшается как за счет уменьшения времени размагничивания магнитопроводя накопительного трансформатора 3. так и за счет уменьшения накопленной в магнитопроводе энергии, Поэтому соотношение между напряжениями U25 и U26 по мере работы преобразователя напряжения в этом режиме все больше ведет к преобладанию напряжения и25(фиг. 4д) и в момент времени t24 суммарное напряжение UKH увеличится настолько, что достигнет напряжения Unop.K. срабатывания компаратора напряжения 33. Это приводит к появлению высокого потенциала на его выходе (фиг. 4ж - момент времени t24), который принудительно закрывает силовой транзисторный ключ 1 с помощью компаратора напряжения 19. являющегося одновременно транзисторным коммутирующим ключом.

Так как компаратор напряжения 33 выполнен совмещенным с триггером, то после срабатывания он может бесконечно долго находиться в этом состоянии и, соответственно, в течение этого времени будет принудительно закрыт силовой транзисторный ключ 1, Во многих практических случаях режимы короткого замыкания или холостого хода могут носить относительно кратковременный характер, не связаны с катастрофическими отказами и исчезают после снятия напряжения питания, например, в цифровых схемах, построенных на микросхемах типа К-МОП, Поэтому надо повторно включить преобразователь напряжения в работу, для чего его сначала надо выключить, а затем снова включить, В случае обслуживаемого устройства данная операция не представляет труда. Хуже, если устройство не обслуживается оператором. Поэтому целесообразно предусмотреть в источнике питания возможность автоматического повторного включения преобразователя напряжения через определенный заданный промежуток времени, Для решения этой задачи в устройство можно ввести импульсный генератор 35, имеющий регулировку периода повторения импульсов и транзисторный ключ 36, показанные на фиг. 1 пунктиром. При этом импульсный генератор 35 по питанию подключен к выходу компаратора напряжения 33, выполненного совмещенным с триггером, а по выходу - к базе транзисторного ключа 36, переход коллектор-эмиттер которого подключен параллельно выходу параметрического стабилизатора напряжения 34. питающего компаратор напряжения 33.

Схема повторного включения преобразователя напряжения работает следующим образом. При срабатывании компаратора напряжения на его выходе устанавливается высокий потенциал, который служит напряжением питания для импульсного генератора 35. Последний через заданное время формирует импульс напряжения или тока открывающий транзисторный ключ 36, который шунтирует выход параметрического стабилизатора 34 на некоторое время, достаточное для выключения компаратора напряжения 33, снимая с него напряжение питания. Это время при необходимости можно сделать регулируемым. Если режимы перегрузки по току или холостого хода устранились, то преобразователь напряжения включится в работу и будет работать в своем штатном режиме. Если эти режимы не устранены, то опять сработает защита и преобразователь напряжения выключится, как описано выше. Через заданное время процесс включения повторится. Интервал времени повторения включения может быть выбран таким, что указанные повторения не приведут к выходу из строя силового транзисторного ключа 1. Импульсный генератор

может быть выполнен, например, на основе однопереходного транзистора.

Компаратор напряжения 33, выполненной совмещенными с триггером, может быть осуществлен по известной схеме на двух транзисторах разного типа проводимости.

10

Формула изобретения

0 вторичная обмотка образует выходные выводы через выпрямитель, основной емкостный накопитель и сглаживающий фильтр, один вывод обмотки положительной обратной связи соединен одновременно с базой

5 силового транзисторного ключа через цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора и диода, зашунтированного кондесатором, и вспомогательным источником постоянного тока, образованным вы0 прямителем и/сглаживающим фильтром, транзисторный компаратор напряжения. база которого через резистор подключена к точке соединения датчика тока и эмиттера силового транзисторного ключа, эмиттер

5 подключен к общей шине, а коллектор - к базе силового транзисторного ключа, цепь отрицательной обратной связи в виде четырехполюсника, два входных вывода которого подключены к выходным выводам

0 преобразователя, а два выходных вывода, гальванически развязанных от входных, включены между вспомогательным источником и базой транзисторного компаратора напряжения, резистор смещения, подклю5 ченный одним выводом к источнику постоянного тока, а другим -- к точке соединения указанных резистора и диода, зашунтированного конденсатором, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатаци0 онной надежности путем принудительного закрывания и последующего поддержания в этом состоянии силового транзисторного ключа при возникновении режимов перегрузки по току или холостого хода, дополни5 тельно введены два выпрямителя, первый и второй емкостные накопители, резистор ный сумматор с двумя входами, выполненный на двух резисторах, причем один из резисторов выполнен регулируемым, элемент временной задержки, компаратор напряжения, выполненный совмещенным с триггером, и параметрический стабилизатор, соединенный входом с указанным источником постоянного тока, при этом входы первого и второго введенных выпрямителей подключены к одному выводу обмотки положительной обратной связи накопительного трансформатора, выход первого выпрямителя подключен к первому емкостному накопителю и первому входу резисторного сумматора, выход второго выпрямителя подключен к второму емкостному накопителю и второму входу резисторного сумматора, выход которого через элемент временной задержки соединен с входом введенного компаратора напряжения, соединенного входом питания с выходом параметрического стабилизатора наk

з Jt

U;8

Una

Uz

0

пряжения, а по выходу - с входом компаратора, свободные выводы первого и второго емкостного накопителя и другой вывод обмотки положительной обратной связи соединены с общей шиной.

5 tfi

17

it

Unop

/

П

Is

и

tl

$

дL

CSI

-p/