Импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 

VJ

чэ

00

о

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении экономических стабилизированных вторичных источников питания различной радиоэлектронной аппаратуры.

Известен импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные датчик тока, силав,ой Ключ ; $-1-СО-фильтр, точка соединения дросселя и конденсатора которого образует выход стабилизатора для подключения нагрузки, интегратор, один вход кото- рого подключен к точке соединения силового ключа с дросселем LCD-фильтра, другой вход - к источнику опорного напряжения, задающий генератор, два триггера и логический элемент И, выход задающего генератора соединен со входом первого триггера, выход которого подключен к установочному входу второго триггера и одному из входов логического элемента И, другой вход которого соединен с выходом второго триггера, а выход логического элемента И подключен к управляющему входу силового ключа, выход датчика тока подключен к узлу выделения токовых импульсов, выход которого соединен с первым входом сброса второго триггера, второй вход сброса этого триггера подключен к выходу интегратора 1.

Недостатком этого стабилизатора является то обстоятельство, что в режиме перегрузки мощность, рассеиваемая на силовом ключе, превышает мощность, рассеиваемую в нормальном режиме эксплуатации, т.к. при перегрузке данного стабилизатора он переходит в режим стабилизации тока с соответствующей выходной характеристикой (типа 2 в соответствии с 2), что ведет к снижению надежности, увеличению массы, габаритов и сложности этого стабилизатора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные в силовую шину датчик тока, силовой ключ с LCD-фильтр, точка соединения дросселя и конденсатора которого образуют выход стабилизатора для подключения нагрузки, усилитель сигнала рассогласования, один вход которого подключен к выходу стабилизатора, а другой вход - к источнику опорного напряжения, время- задающую цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, так что резистор подключен к силовой шине на входе стабилизатора, а конденсатор - к общему проводу разрядно- го ключа и компаратора, причем один вход

компаратора и разрядный ключ подключены параллельно конденсатору времязадаю- щей цепочки, а другой вход компаратора подключен к выходу усилителя рассогласования, задающий генератор, триггер и логический элемент И, выход задающего генератора соединен с установочным входом триггера и одним из входов логического элемента И, другой вход которого подклю0 чен к выходу компаратора, а выход логического элемента И подключен к одному из входов сброса триггера, выход которого подключен к управляющим входам разрядного и силового ключей, выход датчика тока

5 соединен со входом узла выделения токовых импульсов, выход которого подключен к другому входу сброса триггера 3.

Рассматриваемый стабилизатор 3 выполнен с использованием интегрального

0 таймера типа 555 (отечественный аналог - 1006ВИ1). В приведенной характеристике технической сущности прототипа использована соответствующая функциональная схема как таймера, так и стабилизатора в

5 целом. Причем в состав функциональной схемы таймера включены только его существенные признаки для данного предложения,

Недостатком данного стабилизатора.

0 так же как и предыдущего аналога, является повышенная мощность, рассеиваемая на его силовых элементах в режиме пере;руз- ки, что ведет к снижению надежности, увеличению массы, габаритов и сложности

5 этого стабилизатора. Дополнительная сложность рассматриваемого стабилизатора связана также с наличием специальных элементов, необходимых для защиты от перегрузок ho току. Такими элементами явля0 ются датчик тока, выполненный в виде резистора, а также узел выделения токовых импульсов. Кроме того, на резистивном датчике тока выделяется дополнительная мощность, что снижает экономичность

5 стабилизатора, а падение напряжения ия этом датчике с увеличением тока нагрузи.; является дополнительным источником нестабильности выходного напряжения стабилизатора.

0Цель изобретения - повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий последовательно

5 соединенные силовой ключ и LCD-фильтр, точка соединения дросселя и конденсатора которого подключены к выходному выводу, усилитель рассогласования, один вхот которого подключен к выходному выводу, а другой - к источнику опорного напряжения,

компаратор и времязадающую цепочку, состоящую из резистора и конденсатора, подключенных одними выводами к одному из входов компаратора, другой вывод конденсатора подключен к общему проводу, а другой вход компаратора соединен с выходом усилителя рассогласования, задающий генератор, триггер и логический элемент И, выход задающего генератора соединен с установочным входом триггера и одним из входов логического элемента И, вход сброса триггера подключен к выходу компаратора согласно изобретению резистор обратной связи включен между выходным выводом и выходом усилителя рассогласования, резистор времязадающей цепочки подключен параллельно конденсатору этой цепочки, точка соединения силового ключа с LCD- фильтром через первый диод подключена к точке соединения компаратора с времязадающей цепочкой, а через второй диод - к выводу питания усилителя рассогласования, дополнительно, между этим же выводом и общим проводом включен сглаживающий конденсатор, при этом другой вывод логического элемента И подключен к выходу триггера, управляющий вход силового ключа соединен с выходом логического элемента И, а свободный силовой вывод силового ключа подключен к входному .выводу.

Сопоставительный анализ с прото- типом позволяет установить отличие заявляемого технического решения, заключающееся в том, что прямоугольные импульсы напряжения с выхода силового ключа подаются через один диод на времязадающую цепочку, для формирования пилообразного напряжения на одном из входов сравнения компаратора, а через другой диод - на вывод питания усилителя рассогласования для формирования напряжения питания путем фильтрации импульсов сглаживающим конденсатором.

Наличие отличительных признаков в предлагаемом техническом решении в их указанной связи позволяет реализовать стабилизатор постоянного напряжения с защитой от перегрузки, так что рассеиваемая при этом мощность не будет превышать мощности, рассеиваемой в нормальном режиме, тем самым повышается надежность этого стабилизатора.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого стабилизатора напряжения, на фиг.2 - диаграмма его работы.

Импульсный стабилизатор постоянного напряжения (фиг.1) содержит последовательно соединенные силовой ключ 1 и LCD- фильтр, состоящий из диода 2, дросселя 3 и

конденсатора 4, точка соединения которых образует выход стабилизатора для подключения нагрузки. К выходу стабилизатора подключен также один из входов усилителя 5 рассогласования 5 и резистор 6 обратной связи, к другому входу усилителя подключен источник 7 опорного напряжения. Выход усилителя соединен с одним из входов компаратора 8 и резистором обратной связи.

0 Между другим входом компаратора и общим проводом включена времязадающая цепочка, содержащая параллельно соединенные резистор 9 и конденсатор 10. Этот же вход через первый диод 11 подключен к

5 точке соединения силового ключа и LCD- фильтра. К этой же точке, через второй диод 12 подключен вывод питания усилителя рассогласования, а между общим проводом и выводом питания включен сглаживающий

0 конденсатор 13. Выход компаратора подключен ко входу сброса триггера И, вход установки которого соединен с задающим генератором 15 и одним из входов логического элемента И 16, другой вход которого

5 подключен к выходу триггера. Выход логического элемента соединен с управляющим входом силового ключа.

Импульсный стабилизатор работает следующим образом.

0Импульсы (Ли с выхода задающего генератора 15 поступают на установочный вход триггера 14 и один из входов логического элемента И-НЕ 16. При этом на время длительности этого импульса (tcrti) потенциал

5 на выходе триггера UTp фиксируется в первом устойчивом состоянии и не зависит от других управляющих сигналов. В течение этого периода времени силовой ключ 1 открыт. Начиная с момента, когда открывает0 ся силовой ключ (ta), через диоды 11/ 12 заряжаются конденсатор 10 времязадающей цепочки URC и сглаживающий конденсатор 13. В нормальном режиме работы после окончания импульса с задающего генерато5 ра (п) на выходе компаратора 8 поддерживается высокий потенциал, т.к. напряжение на конденсаторе 10 и. следовательно, на одном из входов компаратора (в момент ti) максимально возможное, а на другом вхо0 де - формируется усилителем рассогласования и имеет некоторое значение Upac в зоне регулирования и меньше чем URCmax. При этом напряжение на выходе триггера сохраняет свое значение и по окончании импуль5 са задающего генератора закрывается силовой ключ, диоды 11, 12 и начинают разряжаться конденсаторы 10 и 13. Конденсатор 10 разряжается через резистор 9 времязадающей цепочки до тех пор, пока напряжение на нем не станет меньше напряжения рассогласования UpaJta). В результате компаратор 8 опрокинется и установит триггер во второе устойчивое состояние, переводящее силовой ключ в открытое состояние Оз), которое сохраняется до прихода следующего тактового импульса (ta), который установит триггер опять в первое устойчивое состояние, а по окончании этого импульса силовой ключ закрывается (т.4). Далее процесс повторяется.

При изменении напряжения на выходе стабилизатора по какой-либо причине изменяется и сигнал рассогласования Upac, изменяя порог срабатывания компаратора и, в результате время, в течение которого от- крыт силовой ключ так, что напряжение на выходе стабилизатора стремится к исходному значению, равному в данном случае напряжению опорного источника 7.

С ростом тока нагрузки напряжение на выходе стабилизатора уменьшается из-за конечного значения коэффициента стабилизации, что в свою очередь г риводит к увеличению напряжения рассогласования Upac и, следовательно, к увеличению, тока, по- требляемого усилителем рассогласования от источника питания, в данном случае сглаживающего конденсатора 13. Так как в течение закрытого состояния силового ключа (ti-T.2) закрыт и диод 12, то в конечном счете увеличение тока нагрузки приводит к увеличению тока разряда конденсатора 13 и, следовательно, к уменьшению напряжения питания усилителя рассогласования, что препятствует росту Upac. В этом случае на- пряжение на выходе стабилизатора поддерживается в заданных пределах только до некоторого максимально возможного тока нагрузки, а затем, из-за падения напряжения питания усилитель рассогласования не может обеспечить необходимую величину Upac, что. ведет к дальнейшему падению на- гкряжен и-я на выходе стабилизатора:

При соответствующей величине рези- о&ратной связи 6 процесс развивает- е,я ла&И НОобразно, т.к. падение напряжения на выходе стабилизатора приводит к росту TORS через этот резистор с выхода усилителя рзее&гл-асовзиия и, следовательно, к еще большему падению напряжения питания и

Upac.

В ко«це концов результатом перегрузки будет устойчивое состояние стабилизатора, при котором Upac так мало, что в течение периода тактовых импульсов (ts-ty) напря- жен«в на времязадающей цепочке при разряде конденсатора 10 не может достигнуть значения Upac, при этом триггер фиксируется в первом устойчивом состоянии и не влияет на состояние силового ключа, т.е.

размыкается цепь отрицательной обратной связи стабилизатора напряжения, В этом режиме силовой ключ управляется только по цепи: задающий генератор, логический элемент И, управляющий вход силового ключа, а время, в течение которого ключ открыт, равно длительности тактового импульса.

При коротком замыкании и в случае режима разрывных токов дросселя ток через силовой ключ определяется известным выражением

Чдр

(1-е L ),(1)

Un

ГДР

где Un - напряжение питания стабилизатора;

L, Гдр - индуктивность и сопротивление потерь дросселя LCD-фильтра.

Выбирая соответствующим образом параметры дросселя и длительность тактовых импульсов, можно ограничить амплитуду и среднее значение тока через силовой ключ при коротком замыкании так, чтобы мощность, рассеиваемая на силовом ключе в режиме перегрузки, не превышала мощности, рассеиваемой в норг- „льном режиме, что возможно при условии, если средний ток при коротком замыкании намного меньше максимально возможного тока в нормальном режиме работы

1кЗ « Icp(2)

Для возврата стабилизатора в нормальный режим работы достаточно устранить перегрузку.

Резкое снижение выходного тока в предлагаемом стабилизаторе при перегрузке без использования датчика тока в его составе позволяет значительно снизить мощность, рассеиваемую на силовых элементах стабилизатора, так что она не будет превышать мощности, рассеиваемой в нормальном режиме эксплуатации стабилизатора, а это повышает эксплуатационную надежность стабилизатора, позволяет снизить его массогабаритные показатели при одновременном упрощении конструкции.

Формула изобретения Импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий соединенные последовательно силовой ключ и дроссель DLC-фильтра, конденсатор которого включен между выходным выводом и общим проводом, а коммутирующий диод - между точкой соединения силового ключа и дросселя DLC-фильтра и общим проводом, усилитель рассогласования, один вход которого подключен к выходному выводу, а

другой - к источнику опорного напряжения, компаратор и времязадающую цепочку, состоящую из резистора и конденсатора, общая точка которых подключена к первому входу компаратора, а свободный вывод конденсатора соединен с общим проводом, второй вход компаратора подключен к выходу усилителя рассогласования, триггер, логический элемент И и задающий генератор, выход которого соединен с установочным входом триггера и одним из входов логического элемента И, а вход сброса триггера подключен к выходу компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены первый и второй диоды, резистор обратной связи и сглаживающий конденсатор, при0

5

чем свободный вывод резистора времязада- ющей цепочки соединен с общим проводом, точка соединения силового ключа с дросселем и коммутирующим диодом DLC-фильтра через первый диод подключена к первому входу компаратора, а через второй диод - к выводу питания усилителя рассогласования, который через сглаживающий конденсатор соединен с общим проводом, при этом другой вывод логического элемента И подключен к выходу триггера, управляющий вход силового ключа соединен с выходом логического элемента И, свободный силовой вывод силового ключа подключен к входному выводу, а резистор обратной связи включен между выходным выводом и выходом усилителя рассогласования.

Использование: при построении экономических стабилизированных вторичных источников питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Сущность изобретения: стабилизатор содержит силовой ключ 1, DLC-фильтр, усилитель рассогласования 5, резистор обратной связи 6, источник опорного напряжения 7, компаратор 8, вре- мязадающую цепочку 9, 10, диоды 11, 12, сглаживающий конденсатор 13, триггер 14, задающий генератор 15, логический элемент И 16. В стабилизаторе обеспечено резкое снижение выходного тока при перегрузке без использования датчика-тока в его составе, при этом значительно снижается мощность, рассеиваемая на силовых элементах стабилизатора, так что она не превышает мощности, рассеиваемой в нормальном режиме эксплуатации, повышена надежность стабилизатора. 2 ил. ел С

и

а

тн

V,

Гр

ot,

ОТ.

IT

f

tl

Фиг.2