Стабилизированный преобразователь напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02M3/335 

00

Л

VJ о

Изобретение относится к преобразова- льнойтехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известен однотактный стабилизированный преобразователь, содержащий транзисторный ключ, последовательно соединенные силовой трансформатор, выпрямитель, индуктивно-емкостной сглаживающий фильтр, а также цепь отрицательной обратной связи (ООС). выходы которой подключены к выходным выводам Преобразователя. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется за счет широтно-импуяьсной модуляции (ШИМ) напряжения на силовом трансформаторе.

Основной недостаток устройства - низкое быстродействие (большая длительность переходного процесса установления выходного напряжения) при резком изменений входного напряжения. Это обусловлено инерционностью индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра и действием цепи ООС, являющихся причиной колебаний вьи ходного напряжения при резком изменении

входного.

Наиболее близким по своей технической сущности является стабилизированный однотактный преобразователь напряжения, выбранный в качестве прототипа. Это устройство содержит транзистор- ный ключ, силовой трансформатор, последовательно соединенный с выпрямителем и индуктивно-емкостным сглаживающим фильтром. К выходным выводам преобразователя подключена цепь ООС, представляющая собой измерительный мост, в диагональ которого включен усилитель, подключенный к первому входу компаратора, а ко второму входу которого подключена интегрирующая RC-цепь, фор- мирующая пилообразное напряжение. Получаемый с компаратора сигнал ШИМ, обеспечивает управление транзисторным ключом и стабилизацию выходного напряжения преобраз.ователя.

Недостаток прототипа - низкое быстро- действие при резких изменениях входного напряжения обусловлено инерционностью сглаживающего фильтра и действием цепи ООС и определяется длительностью пере- ходного процесса установления выходного напряжения.,

Цель изобретения-повышение быстродействия преобразователя при резком изменений входного напряжения.

Достигается указанная цель тем, что входы цепи ООС подключены параллельно обмотке дросселя индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра, а сама цепь ООС содержит подсоединенную к ее входам RC

0 5

0

5

0 5 0 5

0

5

цепь, средняя точка которой включена к одному из входов усилителя вместе с фильтрующим конденсатором, оба входа усилителя подсоединены к диагонали измерительного моста, а выход - к узлу коммутации. При резких изменениях входного напряжения, выделяемых на дросселе, цепь ООС осуществляет регулирование ШИМ-сигнала практически без изменения выходного напряжения, что обеспечивает высокое быстродействие преобразователя. Д

Нафиг.1 показана принципиальная схема стабилизированного преобразователя напряжения; на фиг.2 - принципиальная схема одного из вариантов узла коммутации; на фиг.З временные диаграммы процессов в цепях преобразователя.

Стабилизированный преобразователь напряжения выполнен по однотактной схеме и содержит транзисторный ключ 1 силовой трансформатор 2 с обмоткой размагничивания 3, первичной 4 и вторичной 5 обмотками. Обмо1гка размагничивания 3 через диод 6 подключена к входным зажимам, к которым через транзисторный ключ 1 подключены выводы первичной, обмотки 4 силового трансформатора 20 а его вторичная обмотка бчерез последовательно соединенные.выпрямитель 7 и индуктивно- емкостчый фильтр 8, состоящий из дросселя- 9 и конденсатора 10, - к выходным зажимам. К этим же зажимам подсоединены выводы измерительного моста 11, в диагональ которого включены два входи усилителя 12, подключенного своим выходом ко входу узла коммутации 13. Параллельно дросселю 9 подключена RC-цепь 14, содержащая резистор 15 и конденсатор 16, причем вывод последнего соединен с выходи ым зажимом. К средней точке RC-цепи 14 подсоединен первый вход усилителя 12 и один из выводов фильтрующего конденсатора 17 (второй вывод конденсатора связан с общим проводом), а второй вход - к источнику опорного напряжения (стабилитрону) 18. Узел коммутации 13, один из вариантов выполнения которого показан на фиг.2, содержит управляющий трансформатор 15 с базовой 20, коллекторной 21 и коммутирующей 22 обмотками, транзистор 23, диод 24, обратный диод 25. Выводы базовой обмотки 20 являются управляющими выходами узла комму тации 13 и подключены вместе с обратным диодом 25 к управляющему (база-эмитгер- ному) переходу транзисторного ключа , между коллектором которого и соответствующим выводом первичной обмотки 4 силового трансформатора 2 включены выводы обратной связи узла коммутации 13, являющиеся выводами коллекторной обмотки 21

управляющего трансформатора 19. Коммутирующая обмотка 22 того же трансформатора одним выводом подключена через диод 24 к коллектору, а другим - к эмиттеру транзистора 23, база которого является входом узла коммутации 13. База транзисторного ключа 1 представляет собой вход синхронизации устройства.

Работа преобразователя происходит следующим образом. Последовательность коротких синхроимпульсов Усин (фиг.За) поступает на вход синхронизации (на базу транзисторного ключа 1) и определяет частоту преобразования. С этой частотой транзисторный ключ 1 подключает первичную обмотку 4 силового трансформатора 3 и преобразует постоянное входное напряжение в прямоугольные импульсы, которые поступают со вторичной обмотки 5 на выпрямитель 7 и после сглаживания индуктивно-емкостным фильтром 8 превращаются в постоянное выходное напряжение, подаваемое на выходные зажимы. В открытом состоянии транзисторный ключ 1 пропускает коллекторный ток 1к1 (фиг.36), который прекращается, как только транзисторный ключ 1 закрывается и начинается процесс размагничивания сердечника силового трансформатора 2 с помощью обмотки размагничивания 3 через .диод б с возвратом энергии во входную сеть Напряжение на вторичной обмотке 5 итб(фиг.Зв) выпрямляется, то есть становится однополярным U (фиг.Зг) и сглаживается. Разность между выпрямленным Uy и постоянным выходным 1)2 напряжениями равна напряжению на дросселе 9 - Ug (фиг.Зд). Стабилизация выходного напряжения при изменении входного напряжения и тока нагрузки осуществляется за счет ШИМ прямоугольного напряжения на силовом трансформаторе 2 с помощью регулирования цепью ООС времени открытого (насыщенного) состояния транзисторного ключа 1 при посто- янном период коммутации (частоте преобразования). Процесс включения транзисторного ключа 1 начинается при поступлении импульса синхронизации,

приоткрывающего этот ключ.Появляется коллекторный ток, протекающий по коллекторной обмотке 21. Он трансформируется через базовую обмотку 20 и полностью открывает транзисторный ключ 1. Так осуществляется действие положительной обратной связи по току. При появлении отпирающего импульса на входе узла коммутации 13с выхода усилителя 12 (фиг.Зж) транзистор 23 включается и по коммутиру- .ющей обмотке 22 потечет ток, при появлении которого исчезает ток в базовой

обмотке 2.0. Транзисторный ключ 1 выходит из насыщения, начинает закрываться и полярность напряжения на выводах обмпток управляющего трансформатора 19 изменя- 5 ется на обратную. Размагничивается сердечник этого трансформатора от базовой обмотки 20 вначале через управляющий переход транзисторного ключа 1, интенсивно выключая его, а затем через обратный диод

10 25. На интервале, в течение которого транзисторный ключ 1 закрыт, ток дросселя 9 протекает через обратный диод выпрямителя 7 и нагрузку. Если выходное напряжение отклоняется от своего номинального значе15 ния, определяемого источником опорного напряжения 18 (стабилитроном), то начинается регулирование времени насыщенного состояния транзисторного ключа 1 цепью ООС. Эти отклонения определяются изме0 рительным мостом 11 и выделяются в его диагонали. На фильтрующем конденсаторе 17, устраняющем высокочастотные пульсации и помехи имеет место не только постоянное напряжение, пропорциональное 1)2,

5 но и составляющая, пропорциональная напряжению на дросселе 9 и преобразуемая RC-цепью в пилообразные импульсы (фиг.Зе). При изменении выходного напряжения происходит изменение напряжения

0 на дросселе 9, которое через RC-цепь подается :на первый вход усилителя 12 регулирует ШИМ-сигнал Ui2 (фиг.Зж). Усилитель 12 вырабатывает последовательность импульсов, получаемую в результате сравнения

5 сигналов на первом и втором входах, и подает ее на вход узла коммутации 13. Поскольку опорное напряжение постоянно, то переключение усилителя 12 будет происходить при постоянном пиковом значении сиг0 нала на первом входе усилителя 12 в

моменты равенства обоих сигналов. .При

резком.увеличении входного напряжения

(на фиг.З этот случай показан пунктирной

линией) возрастет амплитуда напряжения

5 на силовом трансформаторе 2, выпрямителе 7 и дросселе 9. Увеличение размаха напряжения Ug (фиг.Зд) является причиной более резкого нарастания напряжения на выходе RC-цепи 14 и на первом входе усилителя 12.

0 Напряжение Uyi (фиг.Зе) быстрее будет достигать максимального значения и длительность импульса на выходе усилителя 12 будет меньше. Время насыщенного состояния транзисторного ключа -1 сократится и

5 ширина импульсов на силовом трансформаторе уменьшится так, что выходное напряжение останется практически без изменений. Весь этот процесс заканчивается в пределах одного периода. Фильтрующ ий конднсатор 17 защищает первый вход

усилителя 12 от проникновения высокочастотных пульсаций и помех как с выходных зажимов, так и с дросселя 9.

Таким образом, повышение быстродействия преобразователя при резких измене- ниях входного налряжения достигнуто, следующим образом. В цепи ООС сформирован сигнал, содержащий две составляющие: первая, пропорциональная постоянному выходному напряжению, вто- рая - в виде пилообразного напряжения, полученного после преобразования напряжения на дросселе RC-цепью. При резких изменениях входного напряжения, которые выделяются на дросселе, в течение одного периода ШИМ-сигнала происходит изменение амплитуды пилообразного напряжения, снимаемого с RC-цепи и подаваемого на первый вход усилителя. В результате осуществляется регулирование ШИМ-сйгнэла та- ким образом, что значение выходного напряжения остается без изменения, а длительность переходного процесса в этих случаях практически близка к нулю. Следовательно, достигнуто повышение быстро- действия преобразователя при резких изменениях входного напряжения. Ф о р мул а. и зо-б р.ете н и я Стабилизированный преобразователь напряжения, содержащий транзисторный ключ, силовой трансформатор с обмоткой

размагничивания, подключенной через диод к входным зажимам, к которым подсоединены через транзисторный ключ.выводы первичной обмотки силового трансформатора, а его вторичная обмотка подключена через последовательно соединенные выпрямитель и индуктивно-емкостной фильтр к выходным зажимам, соединенным с выводами измерительного моста, в диагональ которого включены два входа усилителя, причем второй вход - к источнику опорного напряжения измерительного моста, а выход усилителя. - к входу узла коммутации, подключенного управляющими выходами к управляющему переходу транзисторного ключа, между коллектором которого и соответствующим выводом первичной обмотки силового трансформатора включены два вывода обратной связи узла коммутации, а также RC-цепь и вход синхронизации, р т л и - ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия при резких изменениях входного напряжения, введен фильтрующий конденсатор, включенный между общим проводом и первым входом усилителя, с которым соединена средняя точка RC-цепи, подключенной параллельно дросселю индуктивно-емкостного фильтра, причем вывод конденсатора RC-цепи соединен с выходным зажимом, а база транзисторного ключа является входом синхронизации.

Сущность изобретения: устройство содержит транзисторный ключ (1), силовой трансформатор (2), выпрямитель (7), индуктивно-емкостный фильтр (8), цепь обратной связи 11, К дросселю Индуктивно-емкостного фильтра (8) подсоединена RC-цепь (14). Повышение быстродействия при резких изменениях входного напряжения достигнуто за счет получения в контуре обратной связи сигнала, содержащего портоянную составляющую, пропорциональную выходному напряжению и переменную составляющую, получаемую из напряжения на дросселе, преобразуемую в пилообразные импульсы RC-цепью

фи г Z