Ключевой регулятор напряжения Советский патент 1993 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания различного рода устройств автоматики с реверсивными двигателями постоянного тока, а также для питания технологических установок для нанесения гальванических покрытий.

Целью изобретения является получение регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью относительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения при неизменной полярности входного напряжения.

На чертеже показана принципиальная электрическая схема предлагаемого ключевого регулятора напряжения.

Предлагаемый ключевой регулятор напряжения содержит аналогично прототипу первый 1, второй 2 и третий 3 ключевые элементы, дроссель 4. силовой диод 5, конденсатор 6 и блок 7 управления с первым 8. вторым 9 и третьим 10 выходами, входной вывод 11, общую шину 12 и выходной вывод 13. Первый ключевой элемент 1 содержит силовой транзистор 14, второй ключевой элемент 2 выполнен на последовательно соединенных диоде 15 и транзисторе 16. Третий ключевой элемент 3 выполнен на транзисторе 17 и диоде 18, соединенных встречно-параллельно.

В отличие от прототипа в ключевой регулятор введены четвертый 19 и пятый 20 ключевые элементы, блок 7 управления снабжен управляющим 21 и дополнительным 22 входами и четвертым выходом 23. Первый 1, второй 2, четвертый 19 и пятый 20 ключевые элементы снабжены оптопарами 24...27. Четвертый ключевой элемент 19 содержит транзистор 28. Пятый ключевой элемент 20 выполнен на последовательно соединенных диоде 29 и транзисторе 30. Блок 7 управления состоит из узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения, широтно-импульсного модулятора 32, логического элемента ИЛИ 33 и дискриминатора 34 полярности напряжения в составе нуль-компараторов 35, 36. Имеется также резистор 37. При этом аналогично прототипу первый и второй силовые выводы первого

ключевого элемента 1 (т.е. эмиттер и коллектор транзистора 14) подключены соответственно к точке соединения первого вывода дросселя 4 к первому силовому выводу второго ключевого элемента 2 (т.е. к катоду

диода 15) и к входному выводу 11. Второй силовой вывод второго ключевого элемента 2 (коллектор транзистора 16) соединен с общей шиной 12 и с первым силовым выводом третьего ключевого элемента (т.е. с эмиттером транзистора 17 и анодом диода 18), второй силовой вывод которого (коллектор трамзистора 17 и катод диода 18) подключен к второму выводу дросселя 4. Конденсатор 6 включен между общей шиной 12 и выходным выводом 13, с которым соединен первый вывод (катод) силового диода 5. Первый 8, второй 9 и третий 10 выходы блока 7 управления подключены к управляющим входам соответственно первого 1, второго 2

и третьего 3 ключевых элементов (т.е. к све- тоизлучателям оптопар 24, 25 и базе транзи- .стора 17). Свободные выводы диода 15 (катод) и транзистора 16 (коллектор) использованы соответственно в качестве первого

и второго силовых выводов второго ключевого элемента 2.

В отличие от прототипа светоизлучате- ли оптопар 24...27 использованы в качестве управляющих входов соответствующих ключевых элементов 1,2. 19 и 20. Первый силовой вывод четвертого ключевого элемента

19(коллектор транзистора 28) подключен к точке соединения дросселя 4 с третьим ключевым элементом 3, а второй силовой вывод

(эмиттер транзистора 28) - к второму выводу (аноду) силового диода 5. Первый и второй силовые выводы пятого ключевого элемента

20соединены соответственно с первым выводом дросселя 4 и с выходным выводом 13.

Свободные выводы транзистора 30 (коллектор) и диода 29 (анод) использованы соответственно в качестве первого и второго силовых выводов пятого ключевого элемента 20.

Вход узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения соединен с входом дискриминатора 34 полярности напряжения и использован в качестве управляющего входа блока 7 управления, соединенного с введенным входом 21 для подключения внешнего источника управля- ющего напряжения ± Еупр с изменяющейся полярностью. Выход узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения подключен к входу широтно-импульсного модулятора 32, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ 33 и использован в качестве первого выхода 8 блока 7 управления. Выходы напряжения положительной и отрицательной полярности дискриминатора 34 использованы соот- ветственно в качестве второго 9 и четвертого 23 выходов блока 7 управления, а выход логического элемента ИЛИ 33 - в качестве третьего выхода 10 блока 7 управления. Четвертый выход 23 блока 7 через управляющий вход пятого ключевого элемента 20 (через светоизлучатель 27) подключен к дополнительному входу 22 блока 7, в качестве которого использован второй вход логического элемента ИЛИ 33. Управляю- щий вход четвертого ключевого элемента 19 (светоизлучатель оптопары 26) через управляющий вход второго ключевого элемента 2 (светоизлучатель оптопары 25) соединен с вторым выходом 9 блока 7 уп- равления. Дополнительный вход 22 блока 7 зашунтирован резистором 37. Фототранзисторы в оптопарах 24...27 могут быть соединены с транзисторами 14, 25, 28 и 30. например, по схеме Дарлингтона. Выполне- ние узла 31 описано. Широтно-импульсный модулятор 32 может быть выполнен, например, на основе использования микросхемы типа 1114 ЕУЗ по техническим условиям 6КО.347.300-02 ТУ.

Предлагаемый ключевой регулятор напряжения работает следующим образом. При поступлении на вход 21 блока 7 управляющего напряжения ЕуПр с положительной полярностью на выходе неинвертирующего нуль-компаратора 35 в дискриминаторе 34 появляется постоянное напряжение логической единицы. Оно через светоизлуча- тель в оптопаре 25 поступает на светоизлучатель оптопары 26. В результате обеспечивается постоянное отпирание транзисторов 16 и 28 в ключевых элементах 2 и 19 Выходное напряжение инвертирующего нуль-компаратора 36 при

этом имеет уровень логического нуля (или отрицательную полярность). Как следствие, оптопара 27 и транзистор 30 в ключевом элементе 20 остаются запертыми. В этих условиях предлагаемый регулятор имеет структуру, обеспечивающую широкодиапазонное регулирование выходного напряжения Евых на выводе 13 без инверсии полярности. При этом напряжение питания на выводе 11 может быть как больше, так и меньше, чем выходное напряжение ЕвыхНа выходе узла 31 для выделения абсолютной величины напряжения существует напряжение положительной полярности Ез1 Еупр , которое поступает на вход широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 32. От выхода этого модулятора импульсное напряжение Ез2 с ШИМ поступает одновременно на управляющие входы ключевых элементов 1 и 3 (на вход последнего - через логический элемент ИЛИ 33). В результате синхронного отпирания ключевых элементов 1 и 3 через обмотку дросселя 4 протекают пилообразные импульсы тока 14. Цепь протекания тока л: вывод 11 - открытый ключ 1 - обмотка дросселя 4 - открытый ключ 3. Ключ 2 остается при этом запертым, так как на катоде диода 15 существует положительное напряжение, примерно равное напряжению питания. Диод 5 при этом заперт, поскольку на его катоде существует положительное выходное напряжение Евых. Ключевой элемент 20 также остается запертым.

В момент окончания очередного импульса Ез2 на выходе модулятора 32 транзисторы 14 и 17 в ключевых элементах 1 и 3 практически одновременно запираются; к этому моменту в индуктивности дросселя 4 накоплена некоторая энергия. Под ее действием возникает ЭДС самоиндукции и ток начинает протекать по цепи: шина 12 -- открытые фототранзистор оптопары 25 и транзистор 16 в ключевом элементе 2 - диод 15 в том же элементе - дроссель 4 - открытый транзистор 28 в ключевом элементе 19 - диод 5 - конденсатор 6, зашунтирован- ный внешней нагрузкой - шина 12. Таким образом, на конденсаторе 6 и на внешней нагрузке, подключенной к выводу 13 и к общей шине 12, поддерживается выходное напряжение ЕВых положительной полярности. Поскольку скважность импульсов Ез2 с ШИМ, вырабатываемых в модуляторе 32, зависит от величины управляющего напряжения Еупр, то выходное напряжение Евых может регулироваться путем изменения величины Еупр.

При поступлении управляющего напряжения Еупр 0 с отрицательной полярностью на вход инвертирующего нуль-компаратора 36 в дискриминаторе, 34 на его выходе появляется постоянное напряжение логической единицы, которое поступает на выход 23 блока 7 и через светоизлучзтель в оптопаре 27 поступает на выход 22 блока 7 и на первый вход логического элемента ИЛИ 33. Этим обеспечивается режим постоянного отпирания транзисторов 30 и 17 в ключевых элементах 20 и 3. Напряжение на выходе неинвертирующего компаратора 35 в дискриминаторе 34 в этих условиях имеет уровень логического нуля (или оно имеет отрицательную полярность), поэтому ключевые элементы 2 и 19 остаются запертыми. ,

На выходе узла 31 выделения абсолютной величины управляющего напряжения в этих условиях, когда Еупр 0, существует напряжение положительной полярности Ез1 Еупр . поступающего на вход модулятора ШИМ 32; от его выхода импульсное напряжение Ез2 с ШИМ обеспечивает отпирание ключевого элемента 1. Так как ключевые элементы 3 и 20 постоянно открыты, то предлагаемый регулятор при Еупр 0 приобретает структуру, обеспечивающую инверсию полярности выходного напряжения Ёвых по отношению к полярности Напряжения питания. Таким образом, во время импульсов Ез2 с ШИМ ток протекает по цепи: вывод 11 - транзистор 14 в ключевом элементе 1 - дроссель 4 - транзистор 17 в ключевом элементе 3 - шина 12. В момент окончания импульса Ез2 транзистор 14 запирается, и под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в дросселе 4, начинается протекание тока по цепи: правый вывод обмотки дросселя 4 - открытый транзистор 17 в ключевом элементе 3 - шина 12 - конденсатор 6 - диод 29 - открытый транзистор 30 - левый вывод обмотки дросселя 4. Диоды 5 и 19 остаются при этом запертыми. Таким образом на конденсаторе 6 и на нагрузке поддерживается выходное напряжение с отрицательной полярностью. Его абсолютная величина аналогично описанному выше может регулироваться путем изменения абсолютной величины напряжения ЕуПр.

Итак, положительный технический эффект от использования предлагаемого ключевого регулятора состоит в возможности получения регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью относительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения. Такой регулятор имеет расширенные области применения, в частности, в устройствах электропривода постоянного тока.

Формула изобретения

Ключевой регулятор напряжения, содержащий первый, второй и третий ключевые элементы, дроссель, силовой диод, конденсатор и блок управления, причем первый и второй силовые выводы первого

0 ключевого элемента подключены соответственно к точке соединения первого вывода дросселя с первым силовым выводом второго ключевого элемента и к входному выводу, второй силовой вывод второго ключевого

5 элемента соединен с общей шиной и с первым силовым выводом третьего ключевого элемента, второй силовой вывод которого подключен к второму выводу дросселя, конденсатор включен между общей шиной

0 и выходным выводом, с которым соединен первый вывод силового диода, первый, второй и третий выходы блока управления подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего клю5 чевых элементов, а второй ключевой элемент выполнен на последовательно соединенных первом диоде и первом транзисторе, при этом свободные выводы первого диода и первого транзистора использованы

0 соответственно в качестве первого и второго силовых выводов второго ключевого элемента, отличающийся тем, что, с целью получения регулируемого выходного напряжения с изменяющейся полярностью отно5 сительно общей шины в зависимости от величины и полярности управляющего напряжения при неизменной полярности входного напряжения, в него введены четвертый и пятый ключевые элементы, блок

0 управления снабжен управляющим и дополнительным входами и четвертым выходом, а первый, второй, четвертый и пятый ключевые элементы снабжены оптопарами, свето- излучатели которых использованы в

5 качестве управляющих входов соответствующих ключевых элементов, причем первый силовой вывод четвертого ключевого элемента подключен к точке соединения дросселя с третьим ключевым элементом, а

0 второй силовой вывод - к второму выводу силового диода, первый и второй силовые выводы пятого ключевого элемента соединены соответственно с первым выводом дросселя и с выходным выводом, при этом

5 пятый ключевой элемент выполнен на последовательно соединенных втором диоде и втором транзисторе, а свободные выводы второго транзистора и второго диода использованы соответственно п ч ч«стве первого И ВТОРОГО СИЛОВЫХ Пмг«}Д|Н| ПЯТОГО

ключевого элемента, хроме того, блок управления состоит из узла для выделения абсолютной величины напряжения, широт- но-импульсного модулятора, логического элемента ИЛИ и дискриминатора полярности напряжения, причем вход узла для выделения абсолютной величины напряжения соединен с входом дискриминатора полярности напряжения и использован в качестве управляющего входа блока управления, соединенного с введенным выводом для подключения внешнего источника управляющего напряжения с изменяющейся полярностью, выход узла для выделения абсолютной величины напряжения подключен к входу широт- но-импульсного модулятора, выход которого соединен с первым входом логического элемента ИЛИ и использован в каче0

стве первого выхода блока управления, выходы напряжения положительной и отрицательной полярности дискриминатора полярности напряжения использованы соответственно в качестве второго и четвертого выходов блока управления, а выход логического элемента ИЛИ - в качестве третьего выхода блока управления, четвертый выход блока управления через уп- равляющий вход пятого ключевого элемента подключен к дополнительному входу блока управления, в качестве которого использован второй вход логического элемента ИЛИ, а управляющий вход второго ключевого элемента через управляющий вход второго ключевого элемента соединен с вторым выходом блока управления.

Использование: для питания устройств автоматики и электропривода с реверсивными двигателями постоянного тока, а также для питания установок нанесения гальванических покрытий. Сущность изобретения: регулятор содержит три транзисторных ключевых элемента 1-3, дроссель 4, силовой диод 5, конденсатор 6 и блок управления 7, Новым является введение двух ключевых элементов 19, 20 и снабже